汽车底盘故障分析-前轮摆振机理分析

转向机构的纵横拉杆都可视为有弹性的元件，轮胎又有侧向变形和侧向力的作用。因此汽车在行驶时，前轮可以绕主销左右摇动、振动。这种振动称为转向轮绕主销的振动，或称为前轮摆动。汽车行驶时，若出现这种摆动，则车轮的轨迹将是波浪形曲线。此时汽车出现所谓的“蛇行”现象。显然在平直路面上行驶的汽车，出现这种偏离直线行驶方向的现象，表明其直线稳定性较差。若汽车经常出现“蛇行”现象，使轮胎经常处于滑磨状况，就加剧了轮胎的磨损，增大了转向机构的载荷，降低了有关零件的使用寿命，额外增加了轮胎的滚动阻力。此外，汽车的前轮摆振，还会恶化汽车的操纵性，使驾驶员精神紧张，疲劳加剧，从而影响行车安全。在这种情况下，驾驶员将被迫降低车速，以致不能充分发挥汽车的动力，因而影响了汽车使用性能。

“蛇行”现象严重时，还会伴随出现操纵机构、车架和车身的振动，使平顺性和操纵稳定性变坏，因此前轮摆振是操纵机构振动中的主要问题，受到国内外汽车界的重视。在汽车工程中，常将前桥相对于车身的横向振动、前桥绕汽车纵轴的振动和前轮绕主销的摆动等三种振动统称为汽车的摆振。其中转向轮绕主销的振动即前轮摆振较为复杂，对汽车性能影响最大，在汽车行驶中极易出现。

目前由于汽车平顺性的要求，常采用弹性较大的悬架和轮胎，加之前轮装上制动器后，使前桥绕汽车纵轴的转动惯量和前轮绕主销的转动惯量增大，因而以上两种固有频率都有所降低。在这种情况下，提高行驶速度就增加了前桥和转向轮发生共振的可能性。

上述两种振动系统中，在外界激振力的扰动下，可能激发起有阻尼的自由振动、强迫振动以及自激振动。

如果外界激振力是偶然的和单次性的，例如汽车直线行驶时，汽车受单凸起障碍物或突然的侧向阵风的扰动，车轮便发生初始的瞬时偏转。由于系统存在弹性及阻尼，故系统被激发起有阻尼的自由振动。当外激力消除之后，振动将衰减。这时，如果回正力矩足够大，车轮克服初始偏转而返回中间位置，汽车呈现稳定状态；如果回转力矩不足以消除车轮的初始偏转，车轮将处于某一平衡位置，则汽车将偏离直线行驶方向。此时，为了恢复直线行驶，驾驶员就必须转动转向盘。

如果外界激振力出现某种规律的周期变化，例如汽车行驶在近似于正弦波的搓板路面，或者车轮在失衡所形成的离心力矩作用下，那么，前桥系统将被激发起有阻尼的受迫振动。显然，如果外激力的变化频率与系统的固有频率吻合成接近时，前轮将发生强烈的共振现象，汽车就会出现不稳定状态。

如果汽车在偶然的单次外激力的扰动下引起车轮的振动，但在外激力消除后，这种振动并不衰减，相反却因为这种振动的出现而激起系统内部的某种交变力的发生。这种交变力不但使初始振动继续维持，而且还使振动越来越加剧，这种现象在振动理论中称为自激振动。

（1）车轮不平衡的影响 车轮回转时，由于动不平衡将产生沿车轮半径方向的离心惯性力，如图4-19a所示。

图4-19 动不平衡产生的离心惯性力

它的水平分力对主销中心的力矩将使车轮绕主销回转。它是周期性变化的，其频率取决于车速。当离心惯性力的频率与转向轮绕主销振动的固有频率相近时，就会发生强烈的摆振。

离心惯性力的垂直分力会引起车桥绕汽车纵轴转动和使车轮上下跳动。如果左、右两车轮的不平衡质量处于图4-19b所示的斜对称位置时，会使车桥的振动更为严重。为了避免这种现象，无论装配新车或给旧车换胎时，都应对每个车轮进行动平衡，使其不平衡度在容许的数值之内，对高速轿车的车轮平衡要求更高。

（2）车轮陀螺效应的影响 在汽车行驶时，可把高速旋转着的车轮看成一个转子，而将绕主销转动的转向节视为该转子的框架，从而构成一个二自由度的陀螺。力学上的陀螺就是除能绕其自转轴高速转动外，还能绕其他轴转动的刚体。根据力学中的陀螺仪近似理论可知，当转子以自转角速度ω_k高速旋转时，如果框架也以某角速度转动，则框架将受到一个力矩作用，此力矩称为陀螺力矩，其数值为，其方向可由左手法则决定，如图4-20所示。式中J_k为转子绕自转轴转动的转动惯量。

在行驶中汽车的前轮越过凸起的障碍时，车轮平面将发生的偏转角速度，如图4-21所示。此时高速旋转车轮的动量矩的方向要发生变化。由于陀螺效应，将有一个陀螺力矩M_r作用在转向轮上，使转向轮绕主销转动，此陀螺力矩的大小为。

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图4-20 陀螺力矩

图4-21 汽车越障行驶前轮产生的陀螺力矩使转向轮绕主销转动

如果左轮升高，M_r将使车轮向右偏转；如果车轮下降，M_r将使车轮向左偏转。上述公式表明，由于陀螺效应引起的车轮绕主销的振动将随着车速的提高、车轮转动惯量增大和车桥摆动角速度的增大而增强。同理，车轮绕主销的振动也会产生陀螺效应，反过来影响车桥的振动。

为了避免陀螺效应引起的转向轮摆动，要求悬架装置能保证在车轮上下跳动时，其自旋平面不发生偏转。理论上采用等长双横臂式独立悬架，即可满足上述要求。当车轮上下跳动时，该车轮平面平行移动而不偏转，故不产生回转力矩。但是这种结构也有严重的缺点，就是车轮上下跳动时轮距改变较大，从而增加了车轮的侧向滑移和轮胎的磨损。目前汽车上采用不等长双横杆独立悬架，其上臂略短于下臂，使车轮在上下跳动时，车轮下面角度改变较小。

引起前轮摆振的因素较多，除前述车轮不平衡及陀螺效应外，波形路面以及悬架与转向机构运动不协调等，都可引起前轮摆动。

从能量守恒定律可知，产生自激振动的系统必定有外部能源存在，依据系统本身的运动把外部能源转换成激振力的能量。也就是说自激振动的系统是一个反馈系统。

综上所述，汽车转向轮的摆振有强迫振动和自激振动两种类型。它们之间有明显的区别，但又存在密切的内在联系。

强迫振动型的前轮摆振，是由周期性的干扰源引起的，此时摆振周期与干扰周期一致，在共振频率处出现波峰。对于车轮摆振来说，周期性的干扰源主要来自车轮的失衡、端面摆差、径向摆差以及轮胎特性沿周长的不均匀性等。一般说来，车轮每转一周为一个周期。因此，车轮每转一圈绕主销摆动一次。当车轮在共振车速行驶时，必然发生明显摆振；大于或小于共振车速时，摆振就不明显了。共振车速范围一般很窄（3～5km/h）。

自激振动型的前轮摆振与强迫振动型完全不同，它具有以下几个特点：

1）自激振动的发生并不需要周期性的干扰源。当汽车在良好的路面上行驶时，只要车轮受到一个偶然的冲击，就会产生一个初始偏转，在冲击消失后，车轮摆动并不停止，而是变成稳定持续的摆振。要消除此摆振除非采取制动或减速等措施，否则摆振不会停止。

2）发生摆振的车速范围较宽。但摆振并不像强迫振动那样在不稳定车速范围内必然发生。只有在行驶中受到足够大的初始冲击时，才发生摆振。

3）车轮绕主销做自激振动时，振动的频率与车轮转速（相当于激振频率）并不一致。在不稳定车速范围内，其振动频率变化不大，此频率接近于车轮转向系统绕主销振动的固有频率。

汽车前轮转向系统的强迫振动与自激振动虽然具有本质的差别，但它们仍有一定的联系和相似之处。如产生两种振动的能量都是通过地面与弹性轮胎的相互作用，而将能量直接或间接地输入到前轮转向系统的。当摆振为强迫振动时，能量通过周期的干扰力做功输入到前轮转向系统中。其振动的强烈程度，除与干扰力大小有关外，还取决于系统的阻尼。在一般的转向系统中，阻尼可由于摩擦阻力以及专门设置的阻尼器的线性阻尼所组成。