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前輪和前橋的振動(dòng)之——操縱機(jī)構(gòu)的振動(dòng)

2020-02-11 23:46:01·  來源：易萌森戈CAE工作室  作者：黃森  
　
汽車操縱機(jī)構(gòu)的振動(dòng)問題（主要指角振動(dòng)和橫向振動(dòng)），是目前國(guó)內(nèi)車輛普遍存在的問題，前橋和車輪的角振動(dòng)不僅使汽車操縱性、平順性變壞，也影響輪胎以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
汽車操縱機(jī)構(gòu)的振動(dòng)問題（主要指角振動(dòng)和橫向振動(dòng)），是目前國(guó)內(nèi)車輛普遍存在的問題，前橋和車輪的角振動(dòng)不僅使汽車操縱性、平順性變壞，也影響輪胎以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)早期磨損，導(dǎo)致行駛過程中額外增加滾動(dòng)阻力，本節(jié)開始對(duì)前輪和前橋相關(guān)振動(dòng)基本原理進(jìn)行介紹，為工程人員提供相應(yīng)的指導(dǎo)。
 
1、操縱機(jī)構(gòu)的振動(dòng)類型
廣義的操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和與其相連的前輪以及支持前輪的前橋三個(gè)部分，為了研究方向盤和整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)，可把整個(gè)系統(tǒng)視為彈簧，質(zhì)量、阻尼組成的振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。
圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力學(xué)模型
其中：r是汽車?yán)@Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。
操縱機(jī)構(gòu)的振動(dòng)主要有三種類型：
（1）橫向振動(dòng)：由于懸架和輪胎在橫向也有彈性，車橋總成相對(duì)于車身在存在橫向的振動(dòng)，如圖2。
圖2 橫向振動(dòng)和繞主銷角振動(dòng)
（2）前橋繞主銷的角振動(dòng)：汽車在行駛時(shí)，前輪可以繞主銷左右搖動(dòng)，這種振動(dòng)稱之為前輪的擺振，汽車在行駛中如果出現(xiàn)這種振動(dòng)汽車在前行過程中會(huì)出現(xiàn)蛇形，圖3。在平直路面上出現(xiàn)這種偏離直線行駛的現(xiàn)象表明其直線穩(wěn)定性較差，惡化了汽車操縱穩(wěn)定性。
圖3 “蛇形現(xiàn)象”
（3）前橋繞汽車軸線的角振動(dòng)：車輪、前橋和車架在垂直平面和水平平面內(nèi)均有彈性，其中左右懸架和輪胎的彈性可以使得車橋在垂直平面內(nèi)繞其中某點(diǎn)作角振動(dòng)，圖4所示。
圖4前橋繞汽車縱軸的角振動(dòng)
2、引起操縱結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因分析
圖5前橋振動(dòng)模型
前橋通過懸架和彈性輪胎與車廂和地面相連，如圖 5 ，前橋繞軸振動(dòng)時(shí)，懸架和輪胎變形所產(chǎn)生的恢復(fù)力矩分別為：
設(shè)前橋繞汽車縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J,則前橋在垂直平面內(nèi)的自由振動(dòng)為：
由此可得前橋角振動(dòng)的固有頻率：
由此可知降低懸架或輪胎剛度以及增大前橋的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都可以降低前橋角振動(dòng)的固有頻率。
圖6 轉(zhuǎn)向輪繞主銷振動(dòng)
拉桿與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪組成一個(gè)繞主銷擺動(dòng)的振動(dòng)系統(tǒng)，見圖6，在振動(dòng)中轉(zhuǎn)向輪所受的恢復(fù)力矩MB不但與拉桿的彈性有關(guān)，而且還與車輪的穩(wěn)定效應(yīng)有關(guān)，設(shè)：
由此可得轉(zhuǎn)向輪繞主銷振動(dòng)的固有頻率為：
Jz——轉(zhuǎn)向輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Cs——轉(zhuǎn)向輪繞主銷的角剛度
由上式可知，Cs越小和Jz越大時(shí)，轉(zhuǎn)向輪繞主銷回轉(zhuǎn)的角振動(dòng)固有頻率越低。
目前由于汽車平順性的要求，常采用彈性較大的懸架和輪胎，加之前輪裝上制動(dòng)器后，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，因而車上以上兩種振動(dòng)的固有頻率有所降低，在這種情況下提高行駛速度就增加了前橋和轉(zhuǎn)向輪發(fā)生共振的可能性。上述兩種振動(dòng)系統(tǒng)在外界激勵(lì)下，可能激發(fā)有阻尼的自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。
 
 
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