油罐車制動(dòng)跑偏的分析與改進(jìn)

李自生程超張延平

（1.中國石油運(yùn)輸有限公司，烏魯木齊830014；2.一汽解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：油罐車 制動(dòng)跑偏 懸架轉(zhuǎn)向干涉

1 前言

駕駛員在駕駛某型號(hào)油罐車時(shí)，發(fā)現(xiàn)該車在制動(dòng)過程中出現(xiàn)車輛跑偏現(xiàn)象，存在侵入相鄰車道與其它車輛碰撞的危險(xiǎn)。油罐車的制動(dòng)跑偏問題涉及車輛的制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鋼板彈簧懸架等多個(gè)系統(tǒng)因素，其中制動(dòng)系統(tǒng)兩側(cè)的制動(dòng)力不對(duì)稱會(huì)直接引起制動(dòng)跑偏；制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與鋼板彈簧懸架存在運(yùn)動(dòng)干涉也會(huì)造成車輛跑偏[1]。

針對(duì)該油罐車制動(dòng)跑偏問題，首先測(cè)量并調(diào)整左右兩側(cè)車輪的制動(dòng)力，消除了車輛左右兩側(cè)車輪制動(dòng)力不相等對(duì)車輛制動(dòng)跑偏的影響，然后將問題聚焦在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與鋼板彈簧懸架的運(yùn)動(dòng)干涉上，通過建立車輛前懸架動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了多工況下轉(zhuǎn)向和懸架硬點(diǎn)變化、板簧安裝角變化、吊耳長度、襯套剛度變化等因素對(duì)制動(dòng)跑偏的影響。根據(jù)分析結(jié)果，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵連接點(diǎn)的布置，并控制板簧的縱向移動(dòng)量和S變形，使制動(dòng)跑偏問題得到有效解決。

2 制動(dòng)跑偏原因分析

2.1 分析流程

在導(dǎo)致車輛制動(dòng)跑偏的所有因素中，制動(dòng)系統(tǒng)的作用是制動(dòng)跑偏的外在因素，無論轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鋼板彈簧的設(shè)計(jì)是否存在問題，左右制動(dòng)力的不對(duì)稱都會(huì)導(dǎo)致車輛制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏[2]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鋼板彈簧懸架的匹配不合理是制動(dòng)跑偏的內(nèi)在因素，即使制動(dòng)時(shí)左右制動(dòng)力相等，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鋼板彈簧設(shè)計(jì)上的不合理也會(huì)造成車輛的制動(dòng)跑偏。車輛制動(dòng)跑偏問題的分析流程如圖1所示。

2.2 制動(dòng)跑偏分析

正常車輛制動(dòng)系統(tǒng)左右兩側(cè)的制動(dòng)響應(yīng)不應(yīng)有明顯差別，如果車輛左右兩側(cè)制動(dòng)力不一致，必然會(huì)引起車輛的跑偏，因此針對(duì)發(fā)生制動(dòng)跑偏的油罐車，首先檢查并測(cè)量左右制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)果如表1所列。由表1可知，在冷/熱兩種狀態(tài)下，左右兩側(cè)的制動(dòng)蹄片間隙和制動(dòng)推桿行程基本相等，屬于正常范圍。

圖1 車輛制動(dòng)跑偏問題分析流程

表1 制動(dòng)器檢測(cè)結(jié)果

通過測(cè)量制動(dòng)過程中的相關(guān)信號(hào)，得到油罐車制動(dòng)系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，在整個(gè)制動(dòng)過程中，后軸制動(dòng)響應(yīng)明顯快于前軸制動(dòng)。前軸左側(cè)和右側(cè)制動(dòng)氣室壓力變化過程明顯不一致，在0.2～0.6 s區(qū)間，前軸左側(cè)制動(dòng)氣室壓力上升明顯快于右側(cè)，與車輛制動(dòng)向左跑偏的表現(xiàn)相吻合。

圖2 原車前軸左右制動(dòng)壓力

為消除車輛制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)跑偏的影響，首先應(yīng)調(diào)節(jié)左右兩側(cè)響應(yīng)達(dá)到一致。通過更改制動(dòng)系統(tǒng)的前部管路布置，將制動(dòng)管路的接頭由T型三通改為Y型三通，達(dá)到左右兩側(cè)的制動(dòng)氣室壓力上升過程同步，左右兩側(cè)氣壓隨時(shí)間變化穩(wěn)定一致，如圖3所示。由圖3可看出，更改制動(dòng)系統(tǒng)的前部管路布置后，油罐車在緊急制動(dòng)過程中向左跑偏改善不明顯。因此該車的制動(dòng)跑偏與車輪制動(dòng)力不一致相關(guān)性較小，主要是由懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在運(yùn)動(dòng)干涉而引起的，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)上的改進(jìn)。

為進(jìn)一步得到制動(dòng)過程中板簧懸架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過加裝位移傳感器進(jìn)行了鋼板彈簧緊急制動(dòng)工況下的位移測(cè)量，在板簧中部A處位置測(cè)量X向、Z向的位移，在板簧后部B處位置測(cè)量Z向位移，如圖4所示。

圖3 調(diào)整后車輛前軸左右制動(dòng)壓力

圖4 制動(dòng)時(shí)前鋼板彈簧位移的測(cè)量位置

測(cè)試結(jié)果如表2所列，由表2可知，在緊急制動(dòng)過程中，由于地面制動(dòng)力的作用，制動(dòng)跑偏車輛的鋼板彈簧向后的位移量達(dá)15 mm以上，同時(shí)由于制動(dòng)過程中軸荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，板簧向上的位移達(dá)47～64 mm，同時(shí)板簧B處的Z向位移明顯大于A處的Z向位移，表明板簧在緊急制動(dòng)過程中產(chǎn)生了S變形。

表2 前鋼板彈簧制動(dòng)中位移變化

3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

3.1 模型建立

油罐車的前橋裝備有多片鋼板彈簧，采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)，由縱拉桿連接左車輪的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，左右轉(zhuǎn)向車輪通過轉(zhuǎn)向橫拉桿進(jìn)行連接。為進(jìn)行制動(dòng)跑偏問題的分析，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、鋼板彈簧、前橋構(gòu)成的油罐車前懸架總成，如圖5所示。

圖5 油罐車前懸架動(dòng)力學(xué)模型

由于每片鋼板彈簧是連續(xù)的柔性體，因此在建立模型時(shí)將每片鋼板彈簧分為相連接的多個(gè)集中質(zhì)量單元，每個(gè)質(zhì)量單元為一個(gè)剛體，同時(shí)相鄰的兩個(gè)集中質(zhì)量單元之間用無質(zhì)量的Timoshenko梁連接起來，各單元連接點(diǎn)位置的選取反映實(shí)際板簧的曲率形狀特點(diǎn)。在板簧模型中，通過設(shè)定各片鋼板彈簧的厚度和長度及材料特性來保證板簧的剛度與設(shè)計(jì)值相符。

該模型可以進(jìn)行車輪上下跳動(dòng)的分析，模擬油罐車前軸的軸荷變化，也可以對(duì)模型施加縱向力，模擬大制動(dòng)力下鋼板彈簧的受載變形。圖6為大制動(dòng)力作用下板簧的變形情況，由圖6可看出，在較大制動(dòng)力的作用下，鋼板彈簧發(fā)生了明顯的S變形。

圖6 大制動(dòng)力作用下板簧的變形

3.2 計(jì)算結(jié)果

在前懸架總成模型中，鋼板彈簧自身剛度、吊耳長度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)鉸鏈點(diǎn)位置、連接襯套等因素都是影響系統(tǒng)響應(yīng)的變量。利用所建立的模型，分析系統(tǒng)中各變量參數(shù)變化對(duì)干涉的影響，以找到減小干涉的方案。其中輪跳工況雖然不足以分析緊急制動(dòng)時(shí)鋼板彈簧承受的制動(dòng)力矩，但它反映了軸荷變化時(shí)懸架與轉(zhuǎn)向的干涉情況，因此對(duì)輪跳和大制動(dòng)力兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)應(yīng)各變量的主要計(jì)算結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 輪跳工況鉸鏈位置變化的影響

圖8 制動(dòng)工況鉸鏈位置變化的影響

圖9 輪跳工況吊耳長度的影響

圖10 制動(dòng)工況吊耳長度的影響

由圖7和圖8可看出，當(dāng)施加制動(dòng)力時(shí)，不同的鉸鏈位置引起的車輪轉(zhuǎn)角變化較大，從-0.42°變化至0.15°；由圖9和圖10可看出，不同吊耳長度對(duì)左側(cè)車輪轉(zhuǎn)角有一定的影響，增加吊耳長度會(huì)減小車輪轉(zhuǎn)角的變化；由圖11和圖12可看出，增加襯套剛度會(huì)減小車輪轉(zhuǎn)角的變化。

4 實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了7套改進(jìn)方案，并逐一在車輛上進(jìn)行了緊急制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

由表3可知，在相同制動(dòng)強(qiáng)度條件下，采用剛度更大的鋼板彈簧后，鋼板彈簧的S變形會(huì)減小，而使得前車輪的轉(zhuǎn)角改變較小，所以對(duì)制動(dòng)跑偏有一定的改善，但采用大剛度的鋼板彈簧又會(huì)給車輛帶來平順性方面的問題，因此不建議采用。吊耳長度的變化是非常容易實(shí)現(xiàn)的方案，實(shí)際試驗(yàn)表明，減小吊耳長度對(duì)制動(dòng)跑偏沒有影響，加長吊耳長度會(huì)使車輛的跑偏量減小0.1 m。板簧卷耳處安裝有襯套，增大襯套的剛度會(huì)減小板簧的縱向位移量，因此有利于改善制動(dòng)跑偏。轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度縮短會(huì)有助于減小制動(dòng)跑偏量，但由于涉及到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比，因此變動(dòng)的空間不大。而根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整轉(zhuǎn)向拉桿的鉸鏈點(diǎn)位置是最有效的措施，可明顯減小緊急制動(dòng)時(shí)的跑偏量。綜合幾種方案，最終采取了改變鉸鏈點(diǎn)位置、縮短轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度和加大襯套剛度等措施，使得車輛的跑偏量控制在0.2 m，保證了汽車的行駛安全性。

表3 各改進(jìn)方案的制動(dòng)跑偏量

5 結(jié)束語

油罐車制動(dòng)跑偏是涉及用車安全的重大問題，本文針對(duì)某油罐車緊急制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的跑偏問題，探討了影響該車制動(dòng)跑偏的因素，主要分析了懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉所導(dǎo)致的跑偏問題。通過建立包含鋼板彈簧前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)模型，模擬載荷變化引起的車輪跳動(dòng)工況和緊急制動(dòng)工況，分析了系統(tǒng)中各因素對(duì)轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角的影響，找到了在緊急制動(dòng)工況下改善干涉問題的關(guān)鍵因素并提出了改進(jìn)措施，通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的正確性和可行性。