汽车弹簧荷重轴对直线跑偏问题的影响

李俊峰（郑州日产汽车有限公司，河南　郑州　450016）



汽车弹簧荷重轴对直线跑偏问题的影响

李俊峰
（郑州日产汽车有限公司，河南郑州450016）

通过对汽车弹簧荷重轴方向上受力的理论分析与计算，并用不同荷重轴角度的弹簧进行实车测试，验证了荷重轴角度对汽车行驶跑偏的影响程度，使读者从荷重轴角度更深入地了解车辆跑偏的原因，为更好地控制产品质量，提高解析车辆跑偏的能力及速度提供一种有效方法。

直线跑偏；弹簧；荷重轴

随着社会经济的飞速发展，我国的高等级公路里程迅速增加。乘用车在平直的道路上高速行驶的机会和时间不断增加。长时间高速直线行驶时，偶尔会有双手离开或轻扶方向盘的情况出现，此时如果车辆自身存在严重的直线跑偏倾向，将是十分危险的，稍有不慎就会发生严重的交通事故［1］。所以，对车辆直线跑偏的分析研究是一项国际范围内广泛开展的课题。影响车辆直线跑偏的因素有多种，本文将重点围绕目前在乘用车前悬架上应用较多的麦弗逊式结构，分析前螺旋弹簧荷重轴对于车辆直线行驶跑偏的影响，同时说明弹簧荷重轴对车辆直线跑偏问题产生影响的机理。这对于汽车麦弗逊式前悬架结构中螺旋弹簧的品质管控，提高汽车行驶的操纵稳定性具有重要的参考意义。

1　荷重轴的定义

前减振器螺旋弹簧荷重轴是弹簧上端应力中心点与下端应力中心点的连线（见图1）。

图1　螺旋弹簧荷重轴

2　弹簧荷重轴对跑偏影响原理

汽车前轮受力分析模型如图2所示，车轮受到地面的冲击力是沿着实际荷重轴方向传向车身的。

图2　汽车前轮受力分析模型

2.1X向分力

按图3分析可得，沿X方向分力（即车轮沿车辆前后方向的分力）为：FX=F×sinθ。?

图3　前轮X向分力示意图

然而，在汽车的实际结构中，车辆左右两侧安装的前螺旋弹簧是完全相同的零件，而在前螺旋弹簧与减振器组装时，因为左右螺旋弹簧装配方向相反，导致左右螺旋弹簧的荷重轴角度是有差异的（见图4）。

图4　前螺旋弹簧实际装配状态与简化模型对比（X向）

左前轮X向受力：FXL=F×sinθL=F×sin（αXL+βXL）

右前轮X向受力：FXR=F×sinθR=F×sin（αXR-βXR）

由以上公式可以看出，β越大，左右前轮X向受力的差异就越大，且FXL＞FXR。

2.2Y向分力

按图5分析可得，沿Y方向分力（即车轮承受由车辆外侧向内侧方向的力）为：MY=M×sinφ。

前螺旋弹簧Y向实际装配状态如图6所示。

图5　前轮Y向分力示意图

图6　前螺旋弹簧实际装配状态与简化模型对比（Y向）

左前轮Y向受力：MYL=M×sinφL=M×sin（ωYL+βYL）

右前轮Y向受力：MYR=M×sinφR=M×sin（ωYR+βYR）

由以上公式可以看出，只要左右车轮定位参数是相同的，左右前轮在Y向受力的值就是一致的，且方向相反，左右侧的分力就可以互相抵消。

2.3左右前轮转矩

由以上分析可知，左右车轮在Y方向分力是可以互相抵消的，因此，对车辆行驶跑偏与否是不产生影响的。但左右车轮在X方向分力是同方向的，而且左侧比右侧大，这就是导致车辆跑偏的主要原因。如图7所示，受力模型分析可得左右前轮在X方向分力产生的转矩分别为：SL=FXL×L=F×L×sin（αXL+βXL）；SR=FXR×L=F×L×sin（αXR-βXR）。

图7　车轮分力及产生的转矩模型

2.4跑偏力矩

车辆左右两侧悬架系统结构在布置上是对称的，因此地面给轮胎的反力值F和力臂L相同，主销后倾角αXL、αXR相等，弹簧荷重轴的夹角βXL、βXR相等。

由S偏=SL-SR=F×L×［sin（αXL+βXL）-sin（αXR-βXR）］可知，弹簧荷重轴的夹角βXL和βXR的值越大，产生的跑偏力矩S偏越大，跑偏越严重；若弹簧荷重轴的夹角βXL=βXR=0，则产生的跑偏力矩S偏=0，将不产生跑偏力矩，此时车辆就不会出现跑偏现象。

3　分析结果

由以上分析可知，在麦弗逊式前悬架结构的车辆上，由前螺旋弹簧的布置产生的跑偏现象只与弹簧单品荷重轴在XOZ平面上的夹角βX有关，与荷重轴与Y方向的夹角无关。并且，与X方向的夹角βX越大，产生的跑偏力矩越大，车辆跑偏也越严重。

4　前减振器弹簧对车辆直线跑偏的影响确认

为了确认前减振器弹簧对直线行驶跑偏的影响，选择1台直线行驶正常无跑偏现象的车辆，并拆下3台存在不同程度跑偏车辆上的前减振器弹簧，换装到行驶正常的车辆上。换装后，对这台车不同状态下的跑偏量、四轮定位参数重新进行测定。测定结果如表1所示。

由表1数据分析可知，同一台车装配4种不同弹簧，在其他零件都相同的情况下，四轮定位参数的差异并不大。但是，正常的车辆换装上另外3台有跑偏现象车辆上的弹簧后，发生了明显的跑偏。由此可知，弹簧对于车辆直线行驶跑偏具有比较明显的影响。

车辆所装4种状态弹簧的荷重轴角度如表2所示。

5　结论

对比正常状态和行驶跑偏状态的弹簧荷重轴角度，可以看出，跑偏车辆弹簧荷重轴在XOZ平面上的角度偏差βX比不产生跑偏车辆的大得多。由此验证了该文理论分析的结果，即螺旋弹簧在XOZ平面上的荷重轴角度偏差的大小对车辆直线行驶跑偏的严重程度有很大的影响。

表1　换装弹簧前后跑偏量与定位参数表

表2　 弹簧荷重轴角度偏差

［1］余志生.汽车理论（第4版）［M］.北京：机械工业出版社，2006.

On Line Deviation of Car Axle Spring Load

Li Junfeng
（Zhengzhou Nissan Motor Co，Zhengzhou Henan 450016）

Through the calculation and theoretical analysis of automobile spring load axis force，and spring with different load axis angle of vehicle test，this paper verified the influence of load angle on the axis of the vehicle driving wandering，made the reader that had a deeper understanding of the causes of vehicle deviation from the load axis angle，to provide an effective method to better control the quality of products，and improve the analysis of the capacity and speed of the vehicle deviation.

linear deviation；spring；axial load

U461

A

1003-5168（2016）04-0063-04

2016-03-03

李俊峰（1972-），男，本科，工程师，研究方向：车辆工程，车辆工艺。