汽车高速转向盘摆振形成机理分析与研究

宋海涛，赵 岩(Song Haitao，Zhao Yan)



汽车高速转向盘摆振形成机理分析与研究

宋海涛，赵 岩(Song Haitao，Zhao Yan)

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300）

针对某车型高速时转向盘摆振问题，诊断摆振现象，寻找摆振激励源，梳理传递路径，按照正向求解、逆向求解及通过改变相关零部件的振动频率及阻尼特性来分析高速转向盘摆振形成机理，从而解决摆振问题。

摆振；激励源；正向；逆向；阻尼

0 引 言

汽车在行驶时始终处于振动状态，由于路面不平，车速和运动方向的时刻改变，发动机工作激励以及车轮系统和传动系统零部件的不平衡量，产生整车和局部的强烈振动。振动大致可分为震动、摆振及制动抖动，其中摆振的形成多与速度有关，分为低速摆振和高速摆振，发生频率一般在5～15 Hz，低速摆振多出现在低速行驶的颠簸路上。当高速行驶在平滑路面上时，容易出现高速摆振，其通常出现在有限的速度范围内，且特征明显。系统分析汽车高速下转向盘摆振形成的机理，有助于在研发设计阶段规避摆振问题，从而提升驾驶的安全性和舒适性。

1 摆振形成机理分析

以采用齿轮齿条式转向机构的某轿车高速摆振的整改为例，故障现象为：车速在90 km/h时，转向盘开始出现摆振现象；当车速达到100 km/h时，转向盘摆振现象达到峰值；当车速超过110 km/h时，转向盘摆振现象逐渐减小直至消失。经测试，此时转向盘的振动频率与车轮及轮胎总成的激励频率均为14 Hz，摆振车辆的频谱测试结果如图1所示，可判定车辆行驶过程中，轮胎与地面接触产生的激励是转向盘摆振的主要来源。

(a)

(b)

图1 摆振车辆频谱测试结果

现代齿轮齿条式转向机构具备控制精准、路感反馈适当等诸多优点，同时也会因为车轮总成平衡性与均匀性等因素在前轮产生纵向反向振荡，造成转向盘摆振。左、右轮产生反向振荡的常见因素：车轮总成动不平衡、车轮装配偏心、胎面失圆、轮胎自身径向刚度不均匀、三角臂球销节纵向振荡及轮边扭振等。轮胎的激励引起转向盘摆振，车轮总成平衡性与均匀性等参数则直接影响摆振的程度。系统共振导致摆振放大，从而引起转向盘摆振感增强，共振与传递路径中零部件的共振频率、系统刚性（衬套等件的刚度）有关。

2 摆振影响因子分析及效果验证

2.1 主动求解法

主动求解方法，即通过以下途径分析导致摆振产生的因素：1）提升轮胎、车轮质量（优化轮胎动平衡、优化胎面正圆及优化径向刚度不均匀性）；2）提升车轮装配精度；3）修正四轮定位参数。

轮胎参数主要考虑：静不平衡、横向力波动、径向力波动、径向力1次谐波及锥度作用力；车轮参数主要考虑：内侧轴向跳动、平均轴向跳动、轴向跳动1次谐波、外侧径向跳动、内侧径向跳动、平均径向跳动及径向1次谐波（R1H）。经过对抖动车辆轮胎、车轮测试，各项数据均满足设计要求，排除轮胎、车轮本身质量故障的影响。

针对提升车轮装配精度，主要考虑车轮总成的对点原理，图2为动平衡对点装配方式的动不平衡量（D.B.）检测数据，图3为径向力对点装配方式的动不平衡量（D.B.）检测数据。

从图2、图3可以看出，摆振与地面有关，车轮总成是激励源，其剩余动不平衡影响摆振的程度，通过调整车轮总成的剩余动不平衡量可改善摆振的程度。

在调整车辆整车姿态过程中，检查摆振车辆的四轮定位参数，发现主销后倾角对摆振有间接影响，后倾参数偏下限的车辆敏感度较高，易发生摆振；偏上限的则反之。

通过主动求解法排查发现，以上因素均对摆振的产生有影响，但并非根本原因。

2.2 被动求解法

被动求解方法，即通过以下途径分析导致摆振产生的因素：1）增加转向盘转动惯量；2）提高三角臂纵向自振频率；3）优化转向助力控制扭簧，减小逆反馈；4）增加摆振吸振器等。

增加转向盘转动惯量即转向盘配重，见表1。

表1 转向盘配重方案

当转向盘配重达1.2 kg时，高速转向盘摆振故障消失，但此方案改动后对车辆怠速影响较大。

提高三角臂纵向自振频率，即下摆臂衬套硬度增加，具体方案为衬套轴向静刚度由310 N/mm更改为400 N/mm，新衬套换装至摆振车辆上后，摆振改善明显，但此种方案影响车辆的操控性能。

增加摆振吸振器，在半轴上加减振套，改变半轴自身的扭振频率，将带衬套的半轴换到摆振车辆上，效果明显，综合考虑，增加摆振吸振器可解决车辆摆振问题。

3 结 论

车辆高速下的转向盘摆振是由车轮总成与地面激励而产生。轮胎的径向轮跳引起三角臂纵向振动和轮边扭振，三角臂的纵向振动和轮边扭振频率在速度达到90～110 km/h时，与转向盘的振动频率耦合，出现转向盘摆振。

经测试和计算得出，径向轮跳（Hop）频率为13.5 Hz，纵向自振频率为13.5～15 Hz；通过CAE模拟计算，轮边扭振频率为14.5 Hz，图4为轮边扭振频率计算结果。

通过实车验证及分析计算得出：1）通过控制轮胎、车轮均匀性及车轮总成初始不平衡量和剩余不平衡量可以降低振动能量和摆振幅度；2） 通过调整下控制臂衬套刚度和转向器与副车架连接衬套刚度可改变共振频率，降低振幅，改善车辆摆振问题；3）通过在转向盘骨架内和转向管柱结构内增加弹性元件，可吸收振动能量，改善摆振问题；4）通过在轮边转动组件上增加弹性质量块，可改变扭振频率，降低振幅，改善转向盘摆振。

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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