客車制動跑偏問題的研究與優化

司宗正　趙興旺　周寶　高云慶　裴冠茹

摘 要：行駛穩定性是影響汽車的安全行駛的重要特性之一，本文針對某客車新車型在開發過程中出現的典型的制動跑偏現象，開展了問題成因的探究及排查分析，并提供了優化方法和技術解決方案，為類似車型的底盤設計開發、制動跑偏問題解決提供了技術參考。

關鍵詞：行駛穩定性 客車 制動跑偏

汽車行駛穩定性是影響車輛安全性、舒適性的重要指標[1]。汽車在直線行駛過程中，方向盤在無轉角或力矩輸入情況下，車輛行進方向產生改變。為保持車輛的直線行駛，駕駛員需對方向盤施加附加力。但當駕駛員的手離開方向盤后，車輛不能自主保持直線行駛狀態，反映出汽車的行駛穩定性能力不足。

制動方向穩定性是行駛穩定性主要特性之一，若制動時發生跑偏、側滑或失去轉向能力，則汽車將偏離原來的行駛路徑[2]。GB 7258《機動車安全運行技術條件》規定，機動車在平坦、硬實、干燥和清潔的道路上行駛，不得有方向盤擺振、路感不靈、跑偏或其它異常現象[3]。

跑偏可能導致車輛失控，在緊急制動或高速行駛時尤為危險。因此，深入研究客車制動跑偏的機理、系統性地解決制動跑偏問題，具有重要的意義和價值。

1 研究背景

在某客車新車型的開發驗證過程中，出現了直線行駛不穩定和嚴重的制動跑偏問題現象，且隨著車輛制動力的變大，跑偏的趨勢會越發明顯。具體故障表現為：以90kM/h為初始速度開展緊急制動，直至車速降到0時，車輛相對于初始位置，橫向方向最多可跑偏一個車道。

2 主要原因分析

行駛跑偏是復雜的系統性問題，相關的成因較多。有車輛自身的原因，如輪胎氣壓、轉向回正性能差、重心不居中導致的左右載荷分布不均、四輪定位參數偏差、制動力左右偏差等。也有還有一些外界因素，如路面不平度、側向風干擾等[4]。不少故障車輛制動跑偏伴隨著有直行跑偏的情況，因此解決車輛的制動跑偏問題前，首先要排除車輛直行跑偏因素的干擾影響。

2.1 輪胎相關因素

氣壓不一致將使左右車輪滾動半徑、滾動阻力不一致，導致跑偏。左右側輪胎磨損程度的不一致，向滾動半徑小的一側跑偏。當胎面磨損嚴重時，輪胎的抓地力會下降，制動時胎面好的地面反力較大，向胎面較好的一側跑偏。不同輪胎的錐度效應力大小有差異，不同錐度輪胎在車輛上的裝配方向應有工藝作業要求，否則錐度將影響車輛的直線行駛能力。

2.2 轉向系統回正能力差

具體表現為：方向盤向左打，松手后仍向左跑偏；方向盤向右打，松手后仍向右跑偏。同時方向盤回正差，駕駛員松手后，車輛的殘余橫擺角速度大。

造成該現象的主要因素有：四輪定位參數設計缺陷導致的回正力矩不足、轉向機內部傳動機構摩擦力矩過大、轉向傳動軸與內飾件干涉導致的干摩擦、主銷內部滾針軸承或止推軸承損壞卡滯、轉向直拉桿及轉向橫拉桿球頭銷的轉動摩擦力矩過大等。

2.3 四輪定位參數偏差

前懸架車輪定位參數，尤其是車輪前束角、主銷后傾角、主銷內傾角的影響尤為明顯。此外，主銷內傾角衍生出的輪胎接地點主銷偏置距，對制動時的行駛穩定性也有顯著的影響，如圖1所示。如果左右側的主銷偏置距差異過大，制動時作用于左右車輪的轉向力矩M1=F1*a與M2=F2*b無法達到平衡，對制動穩定性產生嚴重的不利影響，車輛將會向主銷偏置距大的一側跑偏。

2.4 重心及前后軸不對中

車輛各制動力產生的合力與行駛的方向相反，理想情況下，其等效作用點應與車輛的質心位置重合。但在真實的場景中，制動力合力很難與車輛的質心重合。

如果整車重心位置與車輛XZ平面偏置距大，在車輛的制動過程中，即使左右制動力均衡，制動合力與橫向偏置距共同作用而產生導致跑偏的橫擺力矩。當此力矩超過車輛極限的穩定能力時，車輛就會產生制動跑偏的現象。此外，前后軸中心平面不重合，也會導致跑偏問題的發生。

2.5 制動力偏差

左右側制動力偏差大，會導致跑偏。另外，即使技術設計要求完全相同，不同制造批次之間的制動摩擦片及制動盤因為原材料、生產制造公差等一致性的差異，如果混裝將會導致車輛不同程度的制動跑偏。

左右側制動間隙不等，也會導致跑偏。未制動時的自由狀態下，左右側摩擦片與制動盤之間的間隙值差異大、制動管路壓力不一致將導致建壓速度不一致，導致左右車輪不能同步產生相同的制動力。間隙大的一側制動時反應慢，間隙小的一側制動時反應快，車輛向制動響應快的一側跑偏。

2.6 干涉轉向

車輛行駛時懸架上下運動，前束由轉向桿系和懸架構件的復合牽連運動作用而發生變化，前束的變化在客車行業也稱為干涉轉向。

轉向拉桿上的球頭銷，既固定在懸架的轉向節臂上，同時又是轉向直拉桿的一部分，如圖2所示。該球頭銷隨懸架運動做相應位移的同時，轉向直拉桿又限制了球頭銷作相應的移動，致使轉向節臂球頭相對于主銷在車輛的X方向做前后移動，繼而引起轉向輪的轉動，輪胎將產生一個側偏力[5]，導致車輛產生較明顯的跑偏。

在制動工況下，后軸負載向前軸轉移且制動力越大軸荷轉移越多。前軸軸荷的增量，導致前懸架彈簧壓縮量的進一步增加，車輪相對于車身向上跳動。在跳動過程中，車輪運動軌跡受懸架導向桿系和轉向系的約束，繼而觸發干涉轉向，使車輛跑偏。

懸架導向桿軸向剛度不足或橡膠襯套剛度過小，汽車制動時桿系和襯套發生彈性變形，繼而導致懸架導向桿系與轉向系發生柔性的運動干涉，導致車輪的偏轉，使汽車跑偏。懸架設計時應考慮相應的措施，減少或消除制動及驅動時的懸架變形[6]。

3 實車情況排查

針對上述導致制動跑偏的主要原因，開展系統性地研究。針對該車型制定跑偏的相關因素，逐一排查并鎖定問題的根本原因。

3.1 輪胎排查

對跑偏車輛的車輪情況，進行了全面確認：輪胎與輪輞的配合，符合輪胎供應商的安裝標識要求，未發現輪胎內外側反裝的現象。輪胎氣壓經過實際測量，均在理論設定的公差范圍內，未發現超差的情況，且左右側車輪的靜力半徑未出現明顯異常。基于以上排查結果，可以排除車輪導致的跑偏。

3.2 轉向系異常排查

制作輔助工裝，測量轉向及懸架系統的干摩擦力矩，根據實測結果判斷無異常。進一步對轉向直拉桿、懸架轉向節臂、轉向橫拉桿等位置的球頭，以及主銷、轉向搖臂等部位的軸承進行檢測，啟動及旋轉摩擦力矩均正常，未發現異常。查驗轉向傳動軸與底盤周邊、內飾件等配合部位的間隙情況，未發現有干涉摩擦的情況。通過以上的排查，可排除轉向系異常導致的車輛跑偏。

3.3 四輪定位參數排查

車輪外傾角、主銷內傾角、主銷后傾角有著關鍵的作用，四輪定位角度的公差范圍也很重要[7]。一般情況下控制在±30′范圍內，可保證車輛不會出現嚴重的跑偏現象。

將跑偏的故障車輛重新上檢測線，做四輪定位參數測量。經復測，前后懸架車輪前束角左右偏差為5′，主銷后傾角左右偏差均為26′、主銷內傾角左右偏差20′，符合設計的公差要求。但上推力桿與下推力桿的長度差異較大，導致在制動時，車輪向上跳動過程中，主銷后傾角有較明顯的衰減。

3.4 重心及前后軸對中性排查

經確認圖紙，設計方案無問題。對跑偏客車的重心進行了測量，重心在Y向的偏差在設計許可的范圍內，實車狀態符合設計需求，無明顯的導致跑偏的風險。

3.5 制動力偏差排查

車輛在測試評價前，已通過了短里程的制動器磨合，可以排查磨合不良導致跑偏的情況。調取車輛過檢測線時的制動力實測數據并進行了復測，結論為左右及前后軸制動力偏差值、制動力響應時間均符合設計要求。此外，對車輛是否存在拖剎的現象也進行了排查，未發現異常。綜上，可排除制動器相關因素導致的車輛跑偏。

3.6 干涉轉向排查

經設計校核和實車狀態確認，實車狀態與設計圖紙要求一致。基于該車型設計圖紙，測量懸架及轉向系統硬點，利用ADAMS搭建該車型的動力學仿真模型，如圖3所示。

通過摸底分析發現，轉向和懸架系統硬點坐標布置不合理，存在明顯的轉向干涉情況，且推力桿系的襯套剛度設定不合理，需優化改進。對分析結果開展進一步研究發現，該狀態將導致車輛向右跑偏，與故障車輛實際表現一致。

4 方案制定與問題解決

針對已排查出的干涉轉向問題，借助仿真手段探索解決方案并驗證方案的有效性。進一步結合故障車型實際情況，本著最少改動量的原則，制定可行的技術改進方案。

結合仿真分析結果，對上推力桿前襯套硬點、轉向節臂球頭硬點進行了優化設計，優化前后的硬點坐標對比如表1所示。

除優化懸架相關的硬點坐標外，在兼顧底盤濾振舒適性，并充分考慮襯套耐久可靠性、橡膠硫化的工藝性等因素的前提下，通過調整橡膠原材料硬度、優化球頭內部設計結構，將上下推力桿前后點襯套的徑向剛度由40kN/mm加大至90kN/mm。

該客車車型為整體式轉向系統，左右側轉向節通過橫拉桿連接。懸架上下運動時，左右轉向前輪朝同向偏轉。如果轉向干涉量較大將導致跑偏，因此前束變化量越小越好。

通過仿真分析可以看出，20000N緊急制動力作用下，轉向輪前束由原狀態的0.95°優化至0.1°，改進效果顯著，對制動跑偏量的遏制有較大貢獻。優化前及優化后前束特性對比，如圖4所示。

此外，隨著推力桿襯套剛度的提升，在制動力下橡膠襯套彈性變形量顯著降低，進而使主銷后傾角在緊急制動工況下的衰減量同步得到改善，如圖5所示，有利于提升制動工況整車保持直行的能力。

按照仿真優化輸出的改進技術方案，制作了轉向節臂、推力桿總成等改進樣件。更換優化部件后，參照GB 12676《汽車制動系統結構、性能和試驗方法》[8]，對實車開展對比測試評估改進效果。車輛從90Km/h制動到靜止狀態，跑偏量由原狀態的2m減小為0.2m，未偏出所在車道。實車表現與設計優化后的理論研究結果一致，效果顯著。

5 結語

本文結合具體的客車車型，以實際開發過程中典型的制動跑偏疑難技術問題為例，系統、深入研究了與客車制動跑偏強相關的主要因素、導致跑偏問題產生的機理、故障排查思路和方法，并提供了具體的解決思路及最終技術方案，為客車底盤設計開發工作、制動跑偏問題的解決，提供了理論依據和技術參考。

參考文獻：

[1]姚謝鈞，陳德玲，趙軍峰.輕型客車跑偏問題的分析與改進[J].客車技術與研究，2016.2.

[2]余志生.汽車理論[M].5 版.北京：機械工業出版社，2010.5.

[3]公安部交通管理科學研究所.機動車運行安全技術條件：GB/ 7258- 2012[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[4]阿達姆·措莫托.汽車行駛性能[M].北京：科學普及出版社，1992.

[5]安部正人.車輛操控動力學[M].北京：機械工業出版社.2012.06.

[6]劉惟信.汽車設計[M].5 版.北京：清華大學出版社，2001.7.

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

[8]GB 12676-1999，汽車制動系統結構、性能和試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1999.