客车制动跑偏问题的研究与优化

司宗正　赵兴旺　周宝　高云庆　裴冠茹

摘 要：行驶稳定性是影响汽车的安全行驶的重要特性之一，本文针对某客车新车型在开发过程中出现的典型的制动跑偏现象，开展了问题成因的探究及排查分析，并提供了优化方法和技术解决方案，为类似车型的底盘设计开发、制动跑偏问题解决提供了技术参考。

关键词：行驶稳定性 客车 制动跑偏

汽车行驶稳定性是影响车辆安全性、舒适性的重要指标[1]。汽车在直线行驶过程中，方向盘在无转角或力矩输入情况下，车辆行进方向产生改变。为保持车辆的直线行驶，驾驶员需对方向盘施加附加力。但当驾驶员的手离开方向盘后，车辆不能自主保持直线行驶状态，反映出汽车的行驶稳定性能力不足。

制动方向稳定性是行驶稳定性主要特性之一，若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力，则汽车将偏离原来的行驶路径[2]。GB 7258《机动车安全运行技术条件》规定，机动车在平坦、硬实、干燥和清洁的道路上行驶，不得有方向盘摆振、路感不灵、跑偏或其它异常现象[3]。

跑偏可能导致车辆失控，在紧急制动或高速行驶时尤为危险。因此，深入研究客车制动跑偏的机理、系统性地解决制动跑偏问题，具有重要的意义和价值。

1 研究背景

在某客车新车型的开发验证过程中，出现了直线行驶不稳定和严重的制动跑偏问题现象，且随着车辆制动力的变大，跑偏的趋势会越发明显。具体故障表现为：以90kM/h为初始速度开展紧急制动，直至车速降到0时，车辆相对于初始位置，横向方向最多可跑偏一个车道。

2 主要原因分析

行驶跑偏是复杂的系统性问题，相关的成因较多。有车辆自身的原因，如轮胎气压、转向回正性能差、重心不居中导致的左右载荷分布不均、四轮定位参数偏差、制动力左右偏差等。也有还有一些外界因素，如路面不平度、侧向风干扰等[4]。不少故障车辆制动跑偏伴随着有直行跑偏的情况，因此解决车辆的制动跑偏问题前，首先要排除车辆直行跑偏因素的干扰影响。

2.1 轮胎相关因素

气压不一致将使左右车轮滚动半径、滚动阻力不一致，导致跑偏。左右侧轮胎磨损程度的不一致，向滚动半径小的一侧跑偏。当胎面磨损严重时，轮胎的抓地力会下降，制动时胎面好的地面反力较大，向胎面较好的一侧跑偏。不同轮胎的锥度效应力大小有差异，不同锥度轮胎在车辆上的装配方向应有工艺作业要求，否则锥度将影响车辆的直线行驶能力。

2.2 转向系统回正能力差

具体表现为：方向盘向左打，松手后仍向左跑偏；方向盘向右打，松手后仍向右跑偏。同时方向盘回正差，驾驶员松手后，车辆的残余横摆角速度大。

造成该现象的主要因素有：四轮定位参数设计缺陷导致的回正力矩不足、转向机内部传动机构摩擦力矩过大、转向传动轴与内饰件干涉导致的干摩擦、主销内部滚针轴承或止推轴承损坏卡滞、转向直拉杆及转向横拉杆球头销的转动摩擦力矩过大等。

2.3 四轮定位参数偏差

前悬架车轮定位参数，尤其是车轮前束角、主销后倾角、主销内倾角的影响尤为明显。此外，主销内倾角衍生出的轮胎接地点主销偏置距，对制动时的行驶稳定性也有显著的影响，如图1所示。如果左右侧的主销偏置距差异过大，制动时作用于左右车轮的转向力矩M1=F1*a与M2=F2*b无法达到平衡，对制动稳定性产生严重的不利影响，车辆将会向主销偏置距大的一侧跑偏。

2.4 重心及前后轴不对中

车辆各制动力产生的合力与行驶的方向相反，理想情况下，其等效作用点应与车辆的质心位置重合。但在真实的场景中，制动力合力很难与车辆的质心重合。

如果整车重心位置与车辆XZ平面偏置距大，在车辆的制动过程中，即使左右制动力均衡，制动合力与横向偏置距共同作用而产生导致跑偏的横摆力矩。当此力矩超过车辆极限的稳定能力时，车辆就会产生制动跑偏的现象。此外，前后轴中心平面不重合，也会导致跑偏問题的发生。

2.5 制动力偏差

左右侧制动力偏差大，会导致跑偏。另外，即使技术设计要求完全相同，不同制造批次之间的制动摩擦片及制动盘因为原材料、生产制造公差等一致性的差异，如果混装将会导致车辆不同程度的制动跑偏。

左右侧制动间隙不等，也会导致跑偏。未制动时的自由状态下，左右侧摩擦片与制动盘之间的间隙值差异大、制动管路压力不一致将导致建压速度不一致，导致左右车轮不能同步产生相同的制动力。间隙大的一侧制动时反应慢，间隙小的一侧制动时反应快，车辆向制动响应快的一侧跑偏。

2.6 干涉转向

车辆行驶时悬架上下运动，前束由转向杆系和悬架构件的复合牵连运动作用而发生变化，前束的变化在客车行业也称为干涉转向。

转向拉杆上的球头销，既固定在悬架的转向节臂上，同时又是转向直拉杆的一部分，如图2所示。该球头销随悬架运动做相应位移的同时，转向直拉杆又限制了球头销作相应的移动，致使转向节臂球头相对于主销在车辆的X方向做前后移动，继而引起转向轮的转动，轮胎将产生一个侧偏力[5]，导致车辆产生较明显的跑偏。

在制动工况下，后轴负载向前轴转移且制动力越大轴荷转移越多。前轴轴荷的增量，导致前悬架弹簧压缩量的进一步增加，车轮相对于车身向上跳动。在跳动过程中，车轮运动轨迹受悬架导向杆系和转向系的约束，继而触发干涉转向，使车辆跑偏。

悬架导向杆轴向刚度不足或橡胶衬套刚度过小，汽车制动时杆系和衬套发生弹性变形，继而导致悬架导向杆系与转向系发生柔性的运动干涉，导致车轮的偏转，使汽车跑偏。悬架设计时应考虑相应的措施，减少或消除制动及驱动时的悬架变形[6]。

3 实车情况排查

针对上述导致制动跑偏的主要原因，开展系统性地研究。针对该车型制定跑偏的相关因素，逐一排查并锁定问题的根本原因。

3.1 轮胎排查

对跑偏车辆的车轮情况，进行了全面确认：轮胎与轮辋的配合，符合轮胎供应商的安装标识要求，未发现轮胎内外侧反装的现象。輪胎气压经过实际测量，均在理论设定的公差范围内，未发现超差的情况，且左右侧车轮的静力半径未出现明显异常。基于以上排查结果，可以排除车轮导致的跑偏。

3.2 转向系异常排查

制作辅助工装，测量转向及悬架系统的干摩擦力矩，根据实测结果判断无异常。进一步对转向直拉杆、悬架转向节臂、转向横拉杆等位置的球头，以及主销、转向摇臂等部位的轴承进行检测，启动及旋转摩擦力矩均正常，未发现异常。查验转向传动轴与底盘周边、内饰件等配合部位的间隙情况，未发现有干涉摩擦的情况。通过以上的排查，可排除转向系异常导致的车辆跑偏。

3.3 四轮定位参数排查

车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角有着关键的作用，四轮定位角度的公差范围也很重要[7]。一般情况下控制在±30′范围内，可保证车辆不会出现严重的跑偏现象。

将跑偏的故障车辆重新上检测线，做四轮定位参数测量。经复测，前后悬架车轮前束角左右偏差为5′，主销后倾角左右偏差均为26′、主销内倾角左右偏差20′，符合设计的公差要求。但上推力杆与下推力杆的长度差异较大，导致在制动时，车轮向上跳动过程中，主销后倾角有较明显的衰减。

3.4 重心及前后轴对中性排查

经确认图纸，设计方案无问题。对跑偏客车的重心进行了测量，重心在Y向的偏差在设计许可的范围内，实车状态符合设计需求，无明显的导致跑偏的风险。

3.5 制动力偏差排查

车辆在测试评价前，已通过了短里程的制动器磨合，可以排查磨合不良导致跑偏的情况。调取车辆过检测线时的制动力实测数据并进行了复测，结论为左右及前后轴制动力偏差值、制动力响应时间均符合设计要求。此外，对车辆是否存在拖刹的现象也进行了排查，未发现异常。综上，可排除制动器相关因素导致的车辆跑偏。

3.6 干涉转向排查

经设计校核和实车状态确认，实车状态与设计图纸要求一致。基于该车型设计图纸，测量悬架及转向系统硬点，利用ADAMS搭建该车型的动力学仿真模型，如图3所示。

通过摸底分析发现，转向和悬架系统硬点坐标布置不合理，存在明显的转向干涉情况，且推力杆系的衬套刚度设定不合理，需优化改进。对分析结果开展进一步研究发现，该状态将导致车辆向右跑偏，与故障车辆实际表现一致。

4 方案制定与问题解决

针对已排查出的干涉转向问题，借助仿真手段探索解决方案并验证方案的有效性。进一步结合故障车型实际情况，本着最少改动量的原则，制定可行的技术改进方案。

结合仿真分析结果，对上推力杆前衬套硬点、转向节臂球头硬点进行了优化设计，优化前后的硬点坐标对比如表1所示。

除优化悬架相关的硬点坐标外，在兼顾底盘滤振舒适性，并充分考虑衬套耐久可靠性、橡胶硫化的工艺性等因素的前提下，通过调整橡胶原材料硬度、优化球头内部设计结构，将上下推力杆前后点衬套的径向刚度由40kN/mm加大至90kN/mm。

该客车车型为整体式转向系统，左右侧转向节通过横拉杆连接。悬架上下运动时，左右转向前轮朝同向偏转。如果转向干涉量较大将导致跑偏，因此前束变化量越小越好。

通过仿真分析可以看出，20000N紧急制动力作用下，转向轮前束由原状态的0.95°优化至0.1°，改进效果显著，对制动跑偏量的遏制有较大贡献。优化前及优化后前束特性对比，如图4所示。

此外，随着推力杆衬套刚度的提升，在制动力下橡胶衬套弹性变形量显著降低，进而使主销后倾角在紧急制动工况下的衰减量同步得到改善，如图5所示，有利于提升制动工况整车保持直行的能力。

按照仿真优化输出的改进技术方案，制作了转向节臂、推力杆总成等改进样件。更换优化部件后，参照GB 12676《汽车制动系统结构、性能和试验方法》[8]，对实车开展对比测试评估改进效果。车辆从90Km/h制动到静止状态，跑偏量由原状态的2m减小为0.2m，未偏出所在车道。实车表现与设计优化后的理论研究结果一致，效果显著。

5 结语

本文结合具体的客车车型，以实际开发过程中典型的制动跑偏疑难技术问题为例，系统、深入研究了与客车制动跑偏强相关的主要因素、导致跑偏问题产生的机理、故障排查思路和方法，并提供了具体的解决思路及最终技术方案，为客车底盘设计开发工作、制动跑偏问题的解决，提供了理论依据和技术参考。

参考文献：

[1]姚谢钧，陈德玲，赵军峰.轻型客车跑偏问题的分析与改进[J].客车技术与研究，2016.2.

[2]余志生.汽车理论[M].5 版.北京：机械工业出版社，2010.5.

[3]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.

[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]安部正人.车辆操控动力学[M].北京：机械工业出版社.2012.06.

[6]刘惟信.汽车设计[M].5 版.北京：清华大学出版社，2001.7.

[7]Jornsen Reimpell.Automotive Chassis[M]. SAE International. 2001.5.

[8]GB 12676-1999，汽车制动系统结构、性能和试验方法[S].北京：中国标准出版社，1999.