轻型客车跑偏问题的分析与改进

姚谢钧，陈德玲，赵军峰

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海　200041）



轻型客车跑偏问题的分析与改进

姚谢钧，陈德玲，赵军峰

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海200041）

摘要：针对某轻型客车在直线行驶中跑偏问题进行分析，结合计算机模拟仿真，找出其最大影响因素是麦弗逊悬架螺旋弹簧力中心线的位置偏差；提出改进方案，并对实施措施进行验证。结果表明，车辆跑偏现象明显得到改善。

关键词：轻型客车；跑偏；麦弗逊悬架；螺旋弹簧

汽车在直线行驶时的稳定性是影响车辆安全性、舒适性的重要指标。车辆直线行驶稳定性问题通常称为车辆跑偏，可表现为车辆直线行驶时方向盘零位存在力矩、驾驶员为保证车辆直线行驶需施加一个反向力矩，车辆这样长时间行驶极易使驾驶员疲劳，引起用户抱怨，降低汽车品牌形象。本文结合国内某款宽体轻客车型，对其跑偏问题进行分析，找到了车辆跑偏的根本原因，并采取整车路试的方法检验了方案的实施效果，为解决车辆同类跑偏问题提供参考。

1　车辆跑偏原因分析

1.1车辆跑偏现象与试验方法

车辆跑偏一般指车辆直线行驶中方向盘无转角或力矩输入情况下，车辆自身产生一个横摆角速度，使车辆行进方向产生改变。因此，为保证车辆直线行进方向不变，驾驶员需持续、额外给方向盘提供一个反向力矩，即方向盘在中间位置时，左右转向力矩有较明显的差异。需要明确的是，车辆跑偏与车辆偏移是车辆直线行驶稳定性所包含的两个不同的概念，如图1所示。本文针对跑偏问题进行分析。

相关国家标准[1]中车辆的直线行驶稳定性仅作为转向系的附加文字要求，且只针对非独立前悬架车辆要求台架侧滑试验。因此，对于前独立悬架车辆的直线行驶稳定性检测，主机厂一般进行整车路试或下线检测，用于检测相关设计值或制造误差是否满足整车技术要求，检测数据通常受多方面因素影响，既有车辆本身因素如四轮定位参数[2]，包括绝对值与左右轮差值，以及轮胎带束层残余应力（PRAT）[3]等；又有外界因素，如路面不平度、侧向风[4]等。因此，为尽量排除外界因素，整车试验一般在专业试车场内一定的外界气候和路面条件下进行。试验分主客观试验。主观试验：在方向盘无外力作用下，车辆在一定时速下直线行驶一定距离后，将车辆横向偏移距离作为判断依据；客观试验：将车辆直线行驶时方向盘转矩作为判断依据。

针对某宽体轻客改型车型出现的跑偏问题，随机抽取6辆下线车辆采用主客观试验确认。

1）主观试验数据与结论如表1所示。

表1　主观试验结果

2）客观试验。选取问题车辆与正常车辆各一辆，进行道路跑偏客观试验对比。试验在跑偏测试专用道路上进行，试验道路为长直道，总长度600 m，路面横向坡度从左向右倾斜降低（即左高右低），倾斜角度由0.25°、1°、2°三级递增构成，每段长200 m。试验方法为驾驶员保持车辆直线行驶通过整条试验道路，测量设备记录方向盘相应坡度下的力矩，见图2。每辆车完成三次路试后取方向盘转矩均值作为试验结果，见表2。正常车辆在试验道路行进时，驾驶员为保证车辆在倾斜的试验路面直线行驶，需对方向盘逆时针方向（即向左）施加一个转动力矩（数值为负），且此力矩值随路面倾斜角度的增加而增加。问题车辆在道路开始的0.25°坡度路况下，需对方向盘施加顺时针力矩（数值为正）以保持直线行驶，表明其有向左跑偏趋势，后续的1°与2°坡度下，问题车辆与正常车辆的方向盘力矩绝对值也表明了车辆直线行驶能力的具体差异。

经平直路面试验，将正常车辆在水平路面直线行驶时方向盘力矩标准定为＜0.2 N·m。

表2　客观试验结果　N·m

1.2根本原因分析

首先针对跑偏的一般因素进行分析排查。问题车辆的四轮定位参数均合格，且更多样本的统计分析表明，通常影响跑偏的左右轮后倾角差值、车轮外倾角差值等四轮定位参数值与此款车型的跑偏无相关性。因此，正常车辆与问题车辆的正交试验是判断问题所在的快速有效方法。经反复试验，锁定前麦弗逊悬架螺旋弹簧为问题零件。进一步的多样本螺旋弹簧问题件与合格件台架对比试验，以分析弹簧各参数对跑偏问题的贡献量[5]，所需弹簧测量参数见图3；贡献量的计算采用Minitab软件[6]DOE模块，见图4；得出具有最显著效应的参数为弹簧力中心线[7]整车x向的分力即力中心线x向偏移，结论如图5所示。通常麦弗逊悬架弹簧的横向（整车y向）倾角或偏移量与悬架侧向力补偿有关[8]，大量技术文献和设计资料均有介绍，但x向的偏移量研究在相关技术文献或设计指导中均较少关注。

图6为此款车型麦弗逊问题悬架左侧后视图，其弹簧的力中心线设计在主销外侧以满足减振器侧向力补偿要求。其x向（整车前后方向）分力Fx作用在减振器下弹簧盘，此分力产生一个绕主销的转动力矩Mx，引起单侧车轮的转向。如左右弹簧的力中心线前后偏移在车辆两侧不对称，则左右Mx无法抵消。在此基础上，左右两侧Fx差值过大，将使两侧车轮的转动力矩Mx形成一个值超过回正力矩的前轮转向合力矩ΣMx，使得车辆行驶中跑偏[9]。通常因制造公差、设计因素（一般麦弗逊减振器为对称件设计，左右件不能互换；本例中，两侧前减振器设计为同一零件可左右互换，以降低开发制造成本），弹簧力中心线在车辆两侧偏移值绝大部分情况下不可能对称，如弹簧制造公差过大或力中心线位置较离散，则将产生引起车辆跑偏的ΣMx。

将以上初步分析运用ADAMS/Chassis仿真[10]验证，模型如图7所示。相应修改模型中硬点和参数，具体为修改spring_seat_lower，spring_seat_upper的x方向数值，且左右螺旋弹簧反向修改以模拟整车实际装配。仿真采用100 km/h直线行驶，输出结论见图8。其中实线为原车模型，虚线为弹簧力中心线偏移模型。仿真结论表明，螺旋弹簧力中心线的偏移，将导致车辆直线行驶时方向盘产生跑偏力矩与转角进而造成车辆跑偏，与实际路试情况相符。

2　改进方案与实施效果

2.1改进方案

经以上分析，左右螺旋弹簧力中心线位置的x向偏差值过大是引起车辆跑偏的根本原因。改进方案为约束弹簧力中心线的x向位置公差。此款车型麦弗逊悬架左右减振器支柱为同一零件左右安装，其热卷弹簧[11]力中心线x向偏移公差值越小，解决跑偏问题效果越好，但制造难度和成本上升。因此，平衡成本与性能的合理取值是关键。原车弹簧上硬点x向公差带（-15，3）、下硬点公差带（-8，10）需减小。通过ADAMS仿真分析螺旋弹簧x向硬点位置对方向盘力矩的影响，确定弹簧上硬点公差带（-12，0）、下硬点公差带（-4，8），可将方向盘中间位置力矩降低至正常车辆水平即＜0.2 N·m，此公差值进一步降低将引发成本的急剧上升，同时通过螺旋弹簧调试件的力中心线台架试验，确认了制造可行性，此时相应的弹簧x向分力Fx＜500 N。

2.2方案实施效果

如表3和表4所示，整车主客观路试结论表明，按改进方案实施后，问题车辆跑偏值显著降低，均达到了合格标准。

表3　主观路试验证结论*

表4　客观路试验证结论*N·m

3　结束语

针对车辆跑偏问题，通过整车、零件试验，并采用试验设计方法和ADAMS/Chassis仿真，排查各项因素后确定了前麦弗逊悬架左右螺旋弹簧力中心线x向偏差是车辆跑偏的根本原因，影响了车辆行驶的安全性和舒适性。通过约束螺旋弹簧力中心线的位置公差，有效地解决了车辆跑偏问题，为解决车辆同类跑偏问题提供了参考。

参考文献：

[1]公安部交通管理科学研究所.机动车运行安全技术条件：GB / 7258-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2]Bernd Heibing，Metin Ersoy. Chassis Handbook. Vieweg+Teubner，2011.

[3] Thomas D Gillespie. Fundamentals Of Vehicle Dynamics. SAE，Inc 2006.

[4]阿达姆·措莫托.汽车行驶性能[M].北京：科学普及出版社，1992.

[5]马逢时，周暐，刘传冰.六西格玛管理统计指南[M].北京：中国人民大学出版社，2013.

[6] Barbara F Ryan. Minitab Handbook. Wadsworth Publishing Co Inc，2012.

[7]张英会，刘辉航，王德成，等.弹簧手册[K].北京：机械工业出版社，1997.

[8]Reimpell J.，Stoll H. The Automotive Chassis Engineering Principle. Arnold，1996.

[9]张亚萍，尹新权，黄莉莉.轮船侧偏相关运动变量关系研究[J].公路与汽运，2015（3）：12-14.

[10]MSCSoftware Corporation.ADAMS_Chassis_2010.MSC，2010.

[11]SAE HS-795.Manual on Design and Application of Helical and Spiral Springs. Society of Automotive Engineers，1997.

修改稿日期：2015-09-09

Analysis and Improvement on Light Bus Off-tracking Problem

Yao Xiejun, Chen Deling, Zhao Junfeng
（Commercial Vehicle Technical Center, SAICMotor Corporation Limited, Shanghai 200041, China）

Abstract：The authors analyze the light bus off-trackingproblemin the straight line driving, combine with the computer simulation, and find out that the biggest influence factor is the deviation of McPherson suspension coil spring force center. Then theypropose the improvement scheme and validate the implement measures . The road test result shows that the vehicle off-trackingphenomenon has been improved obviously.

Key words:light bus; off-tracking; McPherson suspension; coil spring

中图分类号：U463.33

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）02-0052-04

作者简介：姚谢钧（1982-），男，工程师；悬架系统主管；主要从事汽车悬架研究开发工作。