汽車高速轉(zhuǎn)向盤擺振形成機(jī)理分析與研究

宋海濤，趙 巖(Song Haitao，Zhao Yan)

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汽車高速轉(zhuǎn)向盤擺振形成機(jī)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(duì)某車型高速時(shí)轉(zhuǎn)向盤擺振問(wèn)題，診斷擺振現(xiàn)象，尋找擺振激勵(lì)源，梳理傳遞路徑，按照正向求解、逆向求解及通過(guò)改變相關(guān)零部件的振動(dòng)頻率及阻尼特性來(lái)分析高速轉(zhuǎn)向盤擺振形成機(jī)理，從而解決擺振問(wèn)題。

擺振；激勵(lì)源；正向；逆向；阻尼

0 引 言

汽車在行駛時(shí)始終處于振動(dòng)狀態(tài)，由于路面不平，車速和運(yùn)動(dòng)方向的時(shí)刻改變，發(fā)動(dòng)機(jī)工作激勵(lì)以及車輪系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的不平衡量，產(chǎn)生整車和局部的強(qiáng)烈振動(dòng)。振動(dòng)大致可分為震動(dòng)、擺振及制動(dòng)抖動(dòng)，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(dāng)高速行駛在平滑路面上時(shí)，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(jī)理，有助于在研發(fā)設(shè)計(jì)階段規(guī)避擺振問(wèn)題，從而提升駕駛的安全性和舒適性。

1 擺振形成機(jī)理分析

以采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)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(shí)，轉(zhuǎn)向盤開始出現(xiàn)擺振現(xiàn)象；當(dāng)車速達(dá)到100 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤擺振現(xiàn)象達(dá)到峰值；當(dāng)車速超過(guò)110 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤擺振現(xiàn)象逐漸減小直至消失。經(jīng)測(cè)試，此時(shí)轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)頻率與車輪及輪胎總成的激勵(lì)頻率均為14 Hz，擺振車輛的頻譜測(cè)試結(jié)果如圖1所示，可判定車輛行駛過(guò)程中，輪胎與地面接觸產(chǎn)生的激勵(lì)是轉(zhuǎn)向盤擺振的主要來(lái)源。

(a)

(b)

圖1 擺振車輛頻譜測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)代齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具備控制精準(zhǔn)、路感反饋適當(dāng)?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)因?yàn)檐囕喛偝善胶庑耘c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(dòng)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(lì)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(qiáng)，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(yàn)證

2.1 主動(dòng)求解法

主動(dòng)求解方法，即通過(guò)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(dòng)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(dòng)、徑向力波動(dòng)、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(dòng)、平均軸向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)1次諧波、外側(cè)徑向跳動(dòng)、內(nèi)側(cè)徑向跳動(dòng)、平均徑向跳動(dòng)及徑向1次諧波（R1H）。經(jīng)過(guò)對(duì)抖動(dòng)車輛輪胎、車輪測(cè)試，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求，排除輪胎、車輪本身質(zhì)量故障的影響。

針對(duì)提升車輪裝配精度，主要考慮車輪總成的對(duì)點(diǎn)原理，圖2為動(dòng)平衡對(duì)點(diǎn)裝配方式的動(dòng)不平衡量（D.B.）檢測(cè)數(shù)據(jù)，圖3為徑向力對(duì)點(diǎn)裝配方式的動(dòng)不平衡量（D.B.）檢測(cè)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(lì)源，其剩余動(dòng)不平衡影響擺振的程度，通過(guò)調(diào)整車輪總成的剩余動(dòng)不平衡量可改善擺振的程度。

在調(diào)整車輛整車姿態(tài)過(guò)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(duì)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(guò)主動(dòng)求解法排查發(fā)現(xiàn)，以上因素均對(duì)擺振的產(chǎn)生有影響，但并非根本原因。

2.2 被動(dòng)求解法

被動(dòng)求解方法，即通過(guò)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(dòng)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(dòng)慣量即轉(zhuǎn)向盤配重，見表1。

表1 轉(zhuǎn)向盤配重方案

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤配重達(dá)1.2 kg時(shí)，高速轉(zhuǎn)向盤擺振故障消失，但此方案改動(dòng)后對(duì)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(wèn)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(lì)而產(chǎn)生。輪胎的徑向輪跳引起三角臂縱向振動(dòng)和輪邊扭振，三角臂的縱向振動(dòng)和輪邊扭振頻率在速度達(dá)到90～110 km/h時(shí)，與轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)頻率耦合，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤擺振。

經(jīng)測(cè)試和計(jì)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(guò)CAE模擬計(jì)算，輪邊扭振頻率為14.5 Hz，圖4為輪邊扭振頻率計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證及分析計(jì)算得出：1）通過(guò)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(dòng)能量和擺振幅度；2） 通過(guò)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(wèn)題；3）通過(guò)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(dòng)能量，改善擺振問(wèn)題；4）通過(guò)在輪邊轉(zhuǎn)動(dòng)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。

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1002-4581（2016）03-0005-03

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10.14175/j.issn.1002-4581.2016.03.002

2015-12-18