汽车高速发飘分析

轻型汽车技术２００７（４）总２１２技术纵横１前言高速发飘是汽车在高速运行时方向不稳，轮胎抓地能力显著变差的一种非稳定现象。

这里所谓“飘”，是指汽车具有一种低频方向摇摆的固有倾向。

从动力学观点来看，是转向运动低频模态的阻尼不足的表现［１］。

高速发飘是某些汽车遇到的安全性问题之一，这使得驾驶人员对汽车的方向控制变得极为困难，很容易引发安全事故。

本文将对汽车高速发飘现象产生的原因从理论上做出详细的分析。

２汽车产生高速发飘的原因分析当汽车以高速行驶时，对整车系统的可靠性和稳定性要求比较高。

比如，轮胎质量的好坏，悬架的结构形式等都会对汽车的高速稳定性产生影响。

实际上造成汽车高速发飘的原因有很多：转向系方向飘摆，空气升力，转向摆振，前轮前束失准等。

下面将从三个主要方面进行分析。

２．１转向游隙内的方向飘摆汽车的转向系统由多环节的传动链组成，所以不可避免地存在一定的游隙与低刚度区，转向系统的刚度一般特性如图１所示。

由图１可知，在中线位置附近的刚度总是比大转角时的刚度要小得多，而且通常有一个游隙区。

游隙也是一种低刚度区，在游隙区内转角变化并不使力矩改变，也就是刚度为零。

或者说，游隙区是低刚度区中刚度极低的部分［１］。

下面来分析一下，游隙区与低刚度对转向运动的影响。

设某车的方向盘游隙为Δθ，转向系的总传动比为ｉ，则前轮转角游隙为Δδ＝Δθ／ｉ。

如果该车的轴距为Ｌ，行驶速度为Ｖ，则前轮在游隙区内摆动时可以造成的最大侧向加速度（近似估计，不计轮胎侧偏的影响）为：Δａｙ＝Ｖ２Ｒ＝Ｖ２ＬΔδ（１）例如，解放ＣＡ１０Ｂ型载货汽车方向盘最大游隙为Δθ＝±１５°，转向系的总传动比为ｉ＝２９．５，即相当于前轮最大游隙为Δδ＝±０．５°，该车的轴距Ｌ＝４ｍ，若以６０ｋｍ／ｈ行驶，代入（１）式得侧向加速度为０．０６２ｇ。

而此时由于速度较高因而运动阻尼比较小，则此时可明显感觉到发飘。

汽车高速发飘分析乔维高徐学进（武汉理工大学汽车工程学院）摘要本文从理论上对汽车在高速时产生发飘的原因进行了分析，并提出了通过改进相应的汽车设计参数及结构来尽量避免高速发飘现象的发生，提高汽车的安全性。

关键词：汽车高速发飘图１转向系统刚度的一般特性转向盘力（Ｎ）游隙区低刚度区转向盘角２６２００７（４）总２１２轻型汽车技术技术纵横一辆汽车在游隙内飘摆时，相当于取消了方向盘情况下的“自由控制”（力输入响应）运动。

这种系统引用二自由度力输入运动模型的分析结果如下：固有频率（无阻尼自然频率）：ω０＝Ｃ２ηＬ!（２）系统相对阻尼系数：ζ＝ηａ＋ｂ２ＶＬＣ２Ｌ２Ｖ!（３）式中，ａ、ｂ分别为重心至前后轴之间的距离；Ｃ２是后轮有效侧偏刚性系数；η为质量分配系数，通常的汽车η≈１，则：ζ＝Ｃ２Ｌ!２Ｖ（４）由（２）、（３）式知，在转向游隙内飘摆时，固有频率ω０与系统相对阻尼系数都与后轮的侧偏刚性系数的Ｃ２开方成正比。

则在转向游隙较大时，解决高速发飘问题的基本条件是提高后轮侧偏刚性。

Ｃ２Ｌ!值为汽车“高速素质”指标。

Ｃ２Ｌ!是影响高速发飘的一个基本因素。

实际上一个Ｃ２Ｌ!较小的汽车，如果能够尽可能地减少其游隙的影响范围，并适当地选择其前轮的侧偏刚性，也可将阻尼提高到相应的程度，显然（４）式没有反应前轮的侧偏刚性的影响，所以二自由度力输入运动模型估计的运动阻尼是不全面的。

下面将引用三自由度模型进行分析。

２．２车轮侧偏刚度的变化空气动力中的升力会引起车轮垂直载荷的变化，即使前后轮侧偏刚度产生变化从而影响对汽车高速时方向的控制。

下面引用包括前轮转角自由度在内的三自由度模型，对相对阻尼系数进行分析，分析系统中，忽略了汽车的侧倾运动，及空气动力中侧向力的影响，得到其简化公式［２］：ζ＝Ｃ"１／Ｃ２＋１２ｖ１＋Ｃ"１／Ｃ２（１－１／ｖ２）!（５）式中，Ｃ"１／Ｃ２是无量纲转向特性的一种表示方式，Ｃ"１是前轮有效侧偏刚性系数，Ｃ２是后轮侧偏刚性系数，ｖ是一个无量纲车速（其计算表达式为ｖ＝Ｖ／Ｃ２Ｌ!）。

根据（５）式绘出Ｃ"１／Ｃ２、ｖ与ζ的关系，如图２所示。

由图２可以看出：一方面，运动的相对阻尼系数ζ随着无量纲车速的增加而成比例地下降。

例如，Ｃ"１／Ｃ２＝０时，相当于在转向游隙内飘摆；当ｖ＝１时，ζ＝０．５，感觉不到飘摆；当ｖ＝２时，ζ＝０．２５，感觉到明显的飘摆；当ｖ＝３时，ζ＝０．１６７，汽车就会出现严重飘摆。

另一方面，ζ随着Ｃ"１／Ｃ２值的增高而增高，如ｖ＝２，Ｃ"１／Ｃ＝０时，ζ＝０．２５，有明显的飘摆；如果在消除游隙之后，Ｃ"１／Ｃ２＝０．５时，ζ＝０．４７４，这就基本上消除了飘摆现象。

可见减小或消除转向系的游隙和低刚度区，对解决高速发飘问题有重要的意义。

２．３转向摆振转向摆振会出现在不同的车型上。

它指的是转向系里绕转向轴的共振现象，振频通常在１０Ｈｚ以内［３］。

汽车在高速行驶时如果出现转向摆振则会使整车产生发飘现象。

轮胎的弹性与阻尼特性使得转向的车轮成为一个非线性振动系统。

普遍来讲一个出现转向摆振的系统中至少有两个相关的固有频率，而且它们相距很近。

因此一个振动会引发另一个振动，并在它们之间发生能量传递。

引起转向摆振的原因有：车轮受到外倾力矩，车轮的侧向移动及转向空程（转向器里的疏松或球铰的疏松）等。

但引起转向摆振的一个根本原因在于轮胎本身：轮胎质量分布不均分布起引的力导致一个绕垂向轴的力矩（见图３），也就形成了一个转向角外界激励Ｍ（ｔ）。

质量不平均分布引起的力在垂向轴方向也有一个分力，它会影响图２Ｃ"１／Ｃ２、ｖ与ζ的关系（下转第３０页）相对阻尼系数２７轻型汽车技术２００７（４）总２１２到车轮载荷，进而改变回正力矩的特征曲线（轮胎连接）。

也就是说垂向轴方向的振动与转向角振动也联系在一起。

很容易想到，这两个振动会互相影响，特别是当两个振动的共振频率相近的时候，更容易造成转向摆振。

如果小型车的前轮上出现转向摆振，可以用转向阻尼器（平行于转向横拉杆）来消除。

现在更多的是使用宽胎，这也能明显减弱这种现象。

３结束语小型车比大型车更容易发生高速发飘现象，特别是一些微型客车。

首先因为小型车轴距较小从而降低了高速素质指标值。

其次小型车转向系传动比小但车速高，使得转向盘游隙和转向系的低刚度区的影响范围加大。

同是轮胎性能的好坏对汽车高速稳定性有很大影响，因此，汽车应装用侧偏刚度较大的宽胎，并且要求转向盘游隙与转向系低刚度区尽可能小。

这样可以尽量避免发生高速发飘现象，提高汽车的安全性。

参考文献１郭孔辉．汽车操纵动力学［Ｍ］．长春吉林科学技术出版社．１９９１２宋清林．汽车发飘分析［Ｊ］．汽车科技．２００３（６）：１５－１７．３（德）Ｈ－Ｐ威鲁麦特．车辆动力学［Ｍ］．北京理工大学出版社．１９９８．图３质量分布不均的车轮成型模的基础上，对其凸凹模的间隙进行了调整；取消了固定加强板的焊接夹具。

６相关试验和实验为验证改进后的可行性，特别是通过激光拼焊后的钢板在成形后的强度，有针对性对其作了如下实验和试验：１）为评价焊缝成形性，对激光焊接试样进行了杯凸试验。

用直径５０ｍｍ的半球杯凸以１ｍ／ｓ的速度对直径１００ｍｍ的样板进行冲压，发现试样裂纹始于母材，裂纹深度类似于未作激光焊的样件中的情况，说明焊缝成形性良好。

２）为评价此拼焊板受到冲压时的具体表现，在对其原模具改正的基础上进行了长达５０次以上有限次数的冲压，模具表面并没有明显的损伤，成型后的板材表面也没有明显的不良现象，焊缝的最大硬度高达ＨＶ２５０，优于未作激光焊的成型板材。

冲压后的结果令人满意。

３）为验证整个仪表台横梁在整车上所表现出强度等性能，在整车作ＳＰＣ（Ｓｔｏｎｅｐａｖｅｃｙｃｌｅ）耐久试验时搭载了此横梁。

ＳＰＣ试验是对整车耐久强度的确认。

行驶最终里程达１００００ｋｍ，在此过程中，在５０００ｋｍ时作一次中间检查；检查的内容与最终检查一样，最主要的是拆卸相关的零部件，检查零件是否有龟裂现象。

后经此ＳＰＣ试验后，仪表台横梁并没发现什么龟裂现象，说明其强度经得起检验，符合相关标准的要求。

７结束语１）经在实际工作中验证，此零件生产已超过１万件，模具没有出现过问题；在售后的整车中也没反映过此零件存在问题。

２）通过国内外相关文献的参考及通过实际操作的验证，激光焊具有焊接速度快，焊缝成形好等优点，使用此激光焊技术可以实现汽车部件尺寸和材质的优化组合。

３）根据国内情况，在我国运用激光拼焊板技术具有较高的利用价值，激光拼焊板技术将会在国内汽车工业上得到广泛应用，将成为时代发展的必然趋势。

参考文献（略）（上接第２７页）技术纵横!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!３０。