振动转向轮的改进，汽车运用工程学

由于转向系统内存在间隙，转向盘的游隙可以达到5°～10°。转向盘不动时，转向轮可以自由转动大约20°～40°。考虑到系统内部某些部件的弹性变形，转向轮的自由转角还可能更大。

转向轮的自由转动常带有振动的性质，其频率和角振幅则与转向轮上的作用力的特性有关。引起转向轮振动的原因有：转向轮不平衡；前悬架和转向系统的运动学关系不协调；车轮与不平路面之间的相互作用。由于某种偶然激发，可能引起转向轮的自激振动。

1.转向轮不平衡引起的振动

车轮不平衡分为静不平衡和动不平衡两种情况。

静不平衡的车轮重心与车轮旋转中心不重合，若使其转动，则只能停止于一个固定方位。

由于静不平衡质量的存在，车轮在旋转中产生离心力。假定不平衡质量m（kg）集中于距车轮旋转中心距离为r（m）的圆周上某点，则车轮转动时所产生的离心力F（N）的大小为：

F=nω²r

式中 ω——车轮旋转角速度，ω=2πn/60（rad/s）；

n——车轮转速（r/min）。

转速n越高，不平衡质量m越大，且距旋转中心的距离r越远，由静不平衡所产生的离心力F也越大。离心力F可分解为垂直分力F_z和水平分力F_x。每旋转一周，F_z在过旋转中心垂直线的a、b两点达到最大值且方向相反，从而引起车轮的跳动；F_x在过旋转中心水平线的c、d两点达到最大值且方向相反，形成绕转向轮主销来回摆动的力矩，造成转向轮摆振，见图6-16。左右转向轮的不平衡质量相互处于180°位置时，转向轮摆振最为剧烈。

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图6-16 车轮静不平衡示意图

静平衡的车轮，若质量分布相对于车轮纵向中心平面不对称，旋转时会产生方向不断变化的力偶，车轮处于动不平衡状态。若在距旋转中心距离相同但方向相反的径向的位置上，各有一质量相同但不在同一平面内的不平衡点，则虽为静平衡车轮，却是动不平衡的，见图6-17a。此时，两不平衡质量产生的离心力的合力虽为零，但在不同平面内，所构成的力偶却不为零。车轮旋转时，该力偶的方向反复变化，使转向轮绕主销摆振。若要使车轮达到动平衡，则需在m₁、m₂同一作用半径的相反方向配置相同质量m′₁、m′₂，见图6-17b。

动平衡的车轮肯定是静平衡的，但静平衡的车轮却不能保证是动平衡的。

2.前悬架与转向系运动学关系不协调引起的振动

前悬架与转向传动机构运动关系不协调，是引起转向轮摆振的重要原因。图6-18是一种纵置半椭圆钢板弹簧前悬架与转向系布置简图。钢板弹簧前端以固定吊耳与车架相连，位于前轴前面；钢板弹簧后端以活动吊耳与车架相连，转向器与转向直拉杆也在前轴后面。当路面不平或其他原因使车轮受到冲击上下跳动时，钢板弹簧发生变形。此时，前轴和主销上各点均以O₂点为中心沿弧线b-b摆动。转向节上的球销c点与转向直拉杆相连。由于转向直拉杆的限制，如果车轮不发生偏转，球销上c点将沿弧线a-a摆动。这样，由于弧线a-a与弧线b-b不重合，当车轮上下跳动时，转向节将相对于主销发生转动。为减轻振动，应将转向器与固定吊耳尽量靠近，使a-a与b-b轨迹接近，见图6-18b。

图6-17 车轮平衡示意图

a)车轮静平衡但动不平衡 b)车轮动平衡

图6-18 转向系与前悬架运动不协调引起的转向轮摆振