宋海濤，趙 巖(Song Haitao，Zhao Yan)

?

汽車高速轉(zhuǎn)向盤擺振形成機理分析與研究

宋海濤，趙 巖(Song Haitao，Zhao Yan)

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

針對某車型高速時轉(zhuǎn)向盤擺振問題，診斷擺振現(xiàn)象，尋找擺振激勵源，梳理傳遞路徑，按照正向求解、逆向求解及通過改變相關(guān)零部件的振動頻率及阻尼特性來分析高速轉(zhuǎn)向盤擺振形成機理，從而解決擺振問題。

擺振；激勵源；正向；逆向；阻尼

0 引 言

汽車在行駛時始終處于振動狀態(tài)，由于路面不平，車速和運動方向的時刻改變，發(fā)動機工作激勵以及車輪系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)零部件的不平衡量，產(chǎn)生整車和局部的強烈振動。振動大致可分為震動、擺振及制動抖動，其中擺振的形成多與速度有關(guān)，分為低速擺振和高速擺振，發(fā)生頻率一般在5～15 Hz，低速擺振多出現(xiàn)在低速行駛的顛簸路上。當高速行駛在平滑路面上時，容易出現(xiàn)高速擺振，其通常出現(xiàn)在有限的速度范圍內(nèi)，且特征明顯。系統(tǒng)分析汽車高速下轉(zhuǎn)向盤擺振形成的機理，有助于在研發(fā)設(shè)計階段規(guī)避擺振問題，從而提升駕駛的安全性和舒適性。

1 擺振形成機理分析

以采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)的某轎車高速擺振的整改為例，故障現(xiàn)象為：車速在90 km/h時，轉(zhuǎn)向盤開始出現(xiàn)擺振現(xiàn)象；當車速達到100 km/h時，轉(zhuǎn)向盤擺振現(xiàn)象達到峰值；當車速超過110 km/h時，轉(zhuǎn)向盤擺振現(xiàn)象逐漸減小直至消失。經(jīng)測試，此時轉(zhuǎn)向盤的振動頻率與車輪及輪胎總成的激勵頻率均為14 Hz，擺振車輛的頻譜測試結(jié)果如圖1所示，可判定車輛行駛過程中，輪胎與地面接觸產(chǎn)生的激勵是轉(zhuǎn)向盤擺振的主要來源。

(a)

(b)

圖1 擺振車輛頻譜測試結(jié)果

現(xiàn)代齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)具備控制精準、路感反饋適當?shù)戎T多優(yōu)點，同時也會因為車輪總成平衡性與均勻性等因素在前輪產(chǎn)生縱向反向振蕩，造成轉(zhuǎn)向盤擺振。左、右輪產(chǎn)生反向振蕩的常見因素：車輪總成動不平衡、車輪裝配偏心、胎面失圓、輪胎自身徑向剛度不均勻、三角臂球銷節(jié)縱向振蕩及輪邊扭振等。輪胎的激勵引起轉(zhuǎn)向盤擺振，車輪總成平衡性與均勻性等參數(shù)則直接影響擺振的程度。系統(tǒng)共振導(dǎo)致擺振放大，從而引起轉(zhuǎn)向盤擺振感增強，共振與傳遞路徑中零部件的共振頻率、系統(tǒng)剛性（襯套等件的剛度）有關(guān)。

2 擺振影響因子分析及效果驗證

2.1 主動求解法

主動求解方法，即通過以下途徑分析導(dǎo)致擺振產(chǎn)生的因素：1）提升輪胎、車輪質(zhì)量（優(yōu)化輪胎動平衡、優(yōu)化胎面正圓及優(yōu)化徑向剛度不均勻性）；2）提升車輪裝配精度；3）修正四輪定位參數(shù)。

輪胎參數(shù)主要考慮：靜不平衡、橫向力波動、徑向力波動、徑向力1次諧波及錐度作用力；車輪參數(shù)主要考慮：內(nèi)側(cè)軸向跳動、平均軸向跳動、軸向跳動1次諧波、外側(cè)徑向跳動、內(nèi)側(cè)徑向跳動、平均徑向跳動及徑向1次諧波（R1H）。經(jīng)過對抖動車輛輪胎、車輪測試，各項數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求，排除輪胎、車輪本身質(zhì)量故障的影響。

針對提升車輪裝配精度，主要考慮車輪總成的對點原理，圖2為動平衡對點裝配方式的動不平衡量（D.B.）檢測數(shù)據(jù)，圖3為徑向力對點裝配方式的動不平衡量（D.B.）檢測數(shù)據(jù)。

從圖2、圖3可以看出，擺振與地面有關(guān)，車輪總成是激勵源，其剩余動不平衡影響擺振的程度，通過調(diào)整車輪總成的剩余動不平衡量可改善擺振的程度。

在調(diào)整車輛整車姿態(tài)過程中，檢查擺振車輛的四輪定位參數(shù)，發(fā)現(xiàn)主銷后傾角對擺振有間接影響，后傾參數(shù)偏下限的車輛敏感度較高，易發(fā)生擺振；偏上限的則反之。

通過主動求解法排查發(fā)現(xiàn)，以上因素均對擺振的產(chǎn)生有影響，但并非根本原因。

2.2 被動求解法

被動求解方法，即通過以下途徑分析導(dǎo)致擺振產(chǎn)生的因素：1）增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量；2）提高三角臂縱向自振頻率；3）優(yōu)化轉(zhuǎn)向助力控制扭簧，減小逆反饋；4）增加擺振吸振器等。

增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量即轉(zhuǎn)向盤配重，見表1。

表1 轉(zhuǎn)向盤配重方案

當轉(zhuǎn)向盤配重達1.2 kg時，高速轉(zhuǎn)向盤擺振故障消失，但此方案改動后對車輛怠速影響較大。

提高三角臂縱向自振頻率，即下擺臂襯套硬度增加，具體方案為襯套軸向靜剛度由310 N/mm更改為400 N/mm，新襯套換裝至擺振車輛上后，擺振改善明顯，但此種方案影響車輛的操控性能。

增加擺振吸振器，在半軸上加減振套，改變半軸自身的扭振頻率，將帶襯套的半軸換到擺振車輛上，效果明顯，綜合考慮，增加擺振吸振器可解決車輛擺振問題。

3 結(jié) 論

車輛高速下的轉(zhuǎn)向盤擺振是由車輪總成與地面激勵而產(chǎn)生。輪胎的徑向輪跳引起三角臂縱向振動和輪邊扭振，三角臂的縱向振動和輪邊扭振頻率在速度達到90～110 km/h時，與轉(zhuǎn)向盤的振動頻率耦合，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤擺振。

經(jīng)測試和計算得出，徑向輪跳（Hop）頻率為13.5 Hz，縱向自振頻率為13.5～15 Hz；通過CAE模擬計算，輪邊扭振頻率為14.5 Hz，圖4為輪邊扭振頻率計算結(jié)果。

通過實車驗證及分析計算得出：1）通過控制輪胎、車輪均勻性及車輪總成初始不平衡量和剩余不平衡量可以降低振動能量和擺振幅度；2） 通過調(diào)整下控制臂襯套剛度和轉(zhuǎn)向器與副車架連接襯套剛度可改變共振頻率，降低振幅，改善車輛擺振問題；3）通過在轉(zhuǎn)向盤骨架內(nèi)和轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)內(nèi)增加彈性元件，可吸收振動能量，改善擺振問題；4）通過在輪邊轉(zhuǎn)動組件上增加彈性質(zhì)量塊，可改變扭振頻率，降低振幅，改善轉(zhuǎn)向盤擺振。

[1]劉巖，丁玉蘭，林逸. 汽車高速振動仿真與試驗研究[J]. 公路交通科技，2000，17（3）：73-75.

[2]管迪華，魏克嚴，胡師金，等. 汽車轉(zhuǎn)向輪擺振的仿真計算研究[J]. 汽車工程，1982（1）：33-38.

[3]郭孔輝. 輪胎動態(tài)側(cè)偏特性對汽車擺振的影響[J]. 汽車技術(shù)，1995（4）：1-6.

[4]小林明. 汽車振動學(xué)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1976.

1002-4581（2016）03-0005-03

U463.46

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.03.002

2015-12-18