车轮摆振影响因素与工程解决方法综述＊

刘向陈伟赵景山

（1.东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056；2.清华大学，北京 100081）

车轮摆振影响因素与工程解决方法综述＊

刘向1,2陈伟1赵景山2

（1.东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056；2.清华大学，北京 100081）

首先阐述了车轮摆振的现象特征和分类；然后分别从结构组成和系统参数两个方面，对车轮摆振的影响因素和影响规律进行了论述；进一步结合案例对车轮摆振的工程解决方法进行了整理和归纳。对车轮摆振影响因素与工程解决方法进行的系统化和规范化梳理为其理论研究和工程问题解决提供了有价值的参考和指导。

1 车轮摆振分类

车轮摆振是指汽车在平坦路面上行驶时所产生的车轮绕主销持续振动的现象，影响整车舒适性和安全性[1]。车轮摆振可按振动性质和摆动发生的车速区间进行分类。

1.1 强迫摆振与自激摆振

车轮摆振是一种相当复杂的振动现象，根据振动性质可以分为强迫摆振与自激摆振两大类[2]，两者的对比如表1所示。

1.2 低速摆振与高速摆振

根据摆振发生的车速区间不同，可以分为低速摆振与高速摆振。低速时，车轮等动不平衡量对摆振影响较小，自激摆振占主导作用；高速时，车轮等动不平衡量对摆振影响较大，属于强迫摆振[3]。低速摆振一般发生在50 km/h以内，高速摆振一般发生在60 km/h以上[4]。低速摆振与高速摆振并无绝对车速与振动类型界线，由于悬架与转向系统的间隙/松旷及参数匹配不当，在实际中低速强迫摆振、高速自激摆振及自激-强迫耦合摆振现象均可能产生。

2 车轮摆振影响因素分析

转向系统与悬架系统可以看作一个复杂的弹簧-质量振动系统，引起车轮摆振的原因主要是系统结构不当或参数匹配不合适。

2.1 基于结构组成的影响因素分析

2.1.1 系统结构组成

车轮摆振主要与转向系统、悬架系统和车轮总成相关，对于具有车桥或驱动轴的车型，车轮摆振还与车桥总成及驱动系统相关[5～6]。根据汽车构造可知，车轮摆振相关系统结构组成如图1所示。

表1 强迫摆振与自激摆振

图1 车轮摆振相关系统结构组成

2.1.2 影响因素分析

影响车轮摆振的主要因素包括动平衡、刚度、阻尼、间隙、摩擦、车轮定位参数和运动干涉[14]。根据摆振系统的结构组成分别阐述各零部件对车轮摆振的影响，如表2所示。

车轮总成主要是由于动平衡超差，造成汽车高速时强迫摆振。车轮总成动平衡超差主要是由于生产制造、轮辋变形、轮胎修补等因素造成。轮毂轴承安装松动或磨损间隙，也会导致车轮摆振。除此之外，轮胎的刚度和阻尼特性参数，对车轮自激摆振有显著影响[15～16]。

转向系统对车轮摆振的影响主要体现在刚度、阻尼、摩擦、间隙及与悬架的运动干涉几方面：改变转向横拉杆的刚度对车轮摆振幅值和速度分岔有显著影响[17]；增加转向减振器提高系统固有阻尼能够显著改善车轮摆振[18]；转向管柱、万向节、球头副的间隙会导致车轮摆振幅值增大并改变摆振分岔特性，恶化车轮摆振[19～21]；增大转向系统干摩擦力矩，有利于改善车轮摆振[22～23]；减小悬架与转向的运动干涉量能够改善车轮摆振[24]。

表2 车轮摆振结构组成影响因素

悬架系统则主要是由于板簧/弹簧、衬套的刚度及减振器匹配不合适导致车轮摆振。板簧/弹簧刚度较小时，容易造成车轮摆振[25]，通过橡胶衬套刚度和阻尼敏感性分析，对衬套进行优化能够有效改善车轮摆振[26]。

对于前桥采用非独立悬架的汽车，其车桥总成主要由于车轮定位参数不合适、主销摩擦及间隙/松旷导致车轮摆振。车轮定位参数主要包括车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角和主销后倾角，其中主销内倾角、车轮前束角对车轮摆振有显著影响[27～28]。转向系统干摩擦主要是主销摩擦，因此适当增加主销摩擦能够改善车轮摆振[22～23]，而主销间隙/松旷则极易导致车轮摆振[29]，另一方面，通过安装主销止推阻尼轴承，能够显著改善车轮摆振[30]。

目前乘用车大多采用前置前驱的布置形式，因此，驱动轴的动平衡超差及布置位置不合理也会导致车轮摆振[31]。而商用车普遍采用前置后驱的布置形式，驱动轴则主要影响整车振动性能[32]。

总之，车轮摆振与系统结构密切相关，工程中车轮摆振大部分是由多个因素共同引起，解决车轮摆振问题可以依照表2进行依次分析和排查。

2.2 基于系统参数的影响因素分析

虽然通过大量的试验研究可以定位摆振因素，并消除或改善车轮摆振现象，但是为确保整车品质，应该在设计初期对摆振进行预测和控制[2]。从设计上解决车轮摆振问题首先需要深入研究车轮摆振机理及影响因素，并对关键零部件及参数指标提出控制要求。

2.2.1 建模与分析研究现状

车轮摆振机理研究依赖于理论建模与分析，图2为经典的非独立悬架3自由度摆振系统模型[33]，包括两侧车轮绕主销的转动θ1、θ2及车桥绕纵轴的转动θ3，建模参数主要包括轮距、车轮半径、转动惯量、转向系统等效刚度和阻尼、车轮定位参数、轮胎参数及车速。非独立悬架一般匹配梯形转向系统，而独立悬架则匹配齿轮齿条式转向系统，因而采用独立悬架的摆振系统动力学模型更加复杂。图3是某独立悬架10自由度摆振模型[34]，其包括θ1、θ2，转向盘转角θ4，齿轮齿条连接处转角θ5，两侧车轮总成及摆臂横摆角β1、β2，两侧车轮总成及摆臂侧摆角α1、α2，车身侧向位移Y及侧倾角φ。

图2 非独立悬架3自由度摆振模型

图3 独立悬架10自由度摆振模型

采用独立悬架或非独立悬架的车轮摆振系统动力学方程可以规范表达为[34]：

式中，X为由自由运动、轮胎力和回正力矩构成的广义坐标；M为由质量、惯量构成的矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F主要为动不平衡导致的激励力。

基于车轮摆振动力学模型，许多学者开展了大量研究，主要包括轮胎力学特性、车轮定位参数等对摆振的影响分析，摆振系统非线性特性及Hopf分岔特性研究。Balaramakrishna[35]、Ran[36]的研究表明轮胎侧偏特性是摆振的重要影响因素；Pacejka[37]结合动力学模型阐述了自激摆振机理；闵永军[27]、蒋艮生[28]、Dodlbacher[38]的研究表明车轮前束角、外倾角和主销后倾角对摆振影响显著；林逸[33,39]、周兵[40]、Li[41]等学者则针对3自由度摆振系统的非线性分岔特性展开研究；王威[42]、魏道高[43]忽略车身的侧向运动、侧倾运动、车轮总成的横摆和侧摆运动，建立简化的独立悬架4自由度动力学模型，对独立悬架摆振的Hopf分岔特性进行了研究；卢剑伟[44]、Zhou[45]着重针对系统间隙对摆振的影响进行了研究，结果表明，考虑系统间隙时摆振幅值会显著增大且系统响应的运动形态趋于复杂，更易发生拟周期运动甚至混沌；蒋艮生[22]、Wei[46]的研究表明系统摩擦是影响自激摆振的重要因素。

在车轮摆振机理研究基础上，部分学者从整车角度建立了包括车轮摆振的3自由度模型[47]、4自由度模型[48]、5自由度模型[13]和10自由度模型[49]，进一步阐述了车轮摆振的机理。

车轮摆振理论模型虽然能够清晰地阐述各参数对摆振的影响机理，但是在建模过程中需要对系统进行大幅简化，且部分建模参数较难准确获取。基于软件的仿真建模能够有效提高分析精度[50]，是研究和解决车轮摆振的重要手段之一。

目前，车轮摆振仿真建模主要分为多刚体模型[51～53]和刚柔体耦合模型[50,54]。多刚体模型考虑弹性零部件的刚度和阻尼，主要包括弹簧、橡胶衬套、横向稳定杆等，其他结构件均视为刚体；刚柔体耦合模型则考虑部分结构件的刚度，例如摆臂、转向拉杆、转向管柱等。

车轮摆振仿真建模与分析的一般流程如图4所示。仿真建模方法具有建模过程简单、仿真精度高、计算效率高等优点，不过目前仿真建模时鲜有考虑间隙、摩擦等复杂因素，且尚无有关自激摆振的仿真方法见诸报道。

图4 车轮摆振仿真建模与分析流程

2.2.2 影响因素分析

根据建模与分析结论对影响车轮摆振的关键参数进行总结和归纳，如表3所示，轮胎侧偏刚度、轮胎拖距、主销后倾角、车轮前束角、转向系统刚度/阻尼、间隙、摩擦和动平衡是影响车轮摆振的关键参数。

3 车轮摆振工程解决方法

为了避免车轮摆振，首先需要从设计上对关键零部件参数进行控制，然而工程应用中由于制造、装配等因素，车轮摆振现象时有发生。形成规范化的车轮摆振检测流程和解决方法，对于解决车轮摆振问题具有重要意义。

表3 车轮摆振系统参数影响因素分析

由1.1节内容可知，强迫摆振与自激摆振的表现形式、影响因素和解决措施有明显差异，因此在工程应用中首先可以根据摆振的特征与试验结果结合表1确认摆振类型[55]，再制定试验方案和解决措施。

根据文献和工程经验总结得到的车轮摆振工程问题解决流程如图5所示。根据摆振机理和试验复杂程度，可以将解决方法分为一般解决措施和综合解决措施，在工程应用中首先采取一般解决措施，若无法解决，再进行有针对性的试验和分析。

图5 车轮摆振问题工程解决流程

3.1 一般解决方法

a.动平衡测试与控制

动平衡测试与控制主要针对车轮总成，用于解决典型的强迫摆振，例如轻型客车[7]、双前桥牵引车[9]等。造成车轮动不平衡的原因主要有制造误差、轮辋变形失圆、轮辋开裂、补胎、轮辋安装偏心等，在实际解决中需要确认动不平衡的具体原因并改善。

b.车轮定位参数测量与调整

根据摆振因素的分析可知，主要措施是测量并调整车轮前束角和主销后倾角[56]，车轮外倾角和主销内倾角一般只要求满足设计要求即可。不过部分车型由于车桥严重变形，会导致车轮外倾角和主销后倾角显著改变，需要对其进行调整。

c.零部件松旷/间隙检测与调整

工程应用中可以根据表2逐项检查各个零部件的松旷和间隙，然后进行调整，主要针对球头、轴承、螺栓等零部件。

d.连接件预紧力调整

增大连接件预紧力可以提高系统摩擦，进而达到改善车轮摆振的目的，例如增大主销轴承安装预紧力能够改善车轮摆振[57]。不过增大系统摩擦可能影响整车操纵稳定性，例如转向回正能力降低。

e.加装阻尼器件

阻尼器件主要有阻尼轴承[12～13]和转向阻尼器[58]，能够起到增加系统阻尼、改善车轮摆振的作用。

3.2 综合解决方法

如果采取上述措施仍无法解决车轮摆振问题，需要进一步结合仿真分析与试验定位摆振关键影响因素并进行参数匹配与优化。车轮摆振试验方法、获取数据和测量点如表4所示。除路面试验之外，还可以采用车轮摆振试验台[59～60]进行试验。

表4 车轮摆振试验方法、数据和测量点

综合解决方法的一般流程可以归纳为：绘制测量点数据与车速曲线，判断车速相关性；车轮、发动机激励频率分析；确定系统摆振频率；车轮等旋转件动不平衡激励频率相关性分析；关键零部件模态试验与分析；频率规划与零部件结构、刚度、阻尼优化。

4 车轮摆振未来研究方向

车轮摆振是一种极其复杂的振动现象，虽然大量研究人员针对摆振机理和抑振方法开展了大量的理论、仿真和试验研究，但是车轮摆振问题在工程应用中仍然时有发生。车轮摆振相关的研究重点和难点主要包括以下几方面：

a.自激摆振理论与工程应用关联

强迫摆振机理比较明晰，工程应用中比较容易定位并解决；自激摆振则是由于系统参数匹配不当，在足够大的外部激励下导致的动态失稳和分岔，其机理非常复杂且难于辨识和解决。自激摆振是目前的研究热点和难点，不过由于其发生具有不确定性，且系统实际参数与建模参数间映射困难，导致目前相关的研究仅停留在理论建模和数值仿真层面，与实际工程应用关联性较差，对实际产品性能提升和工程问题解决没有直接的指导作用。因此，自激摆振理论与工程应用关联是未来的重点研究内容。

b.摆振的优化与控制

车轮摆振的优化与控制首先需要建立具有较高精确度的摆振模型，目前在摆振建模与试验对标方面已有相关文献见诸报道[50]。在已有研究基础上建立高精度摆振模型，一方面针对关键参数进行敏感性分析和参数优化设计，另一方面针对关键参数进行区间分析，得到零部件参数许可设计区间，对设计参数提出直接管控要求。

c.考虑摩擦、间隙等因素的仿真建模

基于CAE软件的仿真分析虽然具有高效率、高精度的显著优点，然而目前建模时往往忽略了系统摩擦和间隙等非常关键的影响因素，导致仿真建模只能够进行定性分析。如何添加和设置摩擦、间隙是仿真建模亟需重点研究的内容。

d.车轮摆振与整车性能匹配研究

车轮摆振并非孤立的汽车特性[62]，影响车轮摆振的参数对整车平顺性、操纵稳定性和轮胎磨损等也有直接影响，例如：增大主销摩擦力矩可以改善摆振，然而其会导致转向回正和转向轻便性变差；增大板簧刚度能够改善车轮摆振，然而其会导致整车平顺性变差；减小车轮前束角既能够改善车轮摆振，也能降低轮胎磨损。因此，车轮摆振与整车性能的匹配研究是开发过程必须关注的重点内容。

5 结束语

车轮摆振作为影响舒适性和安全性的不良振动现象，一方面需要在设计阶段进行优化和控制，另一方面需要在工程应用中快速定位并解决。本文对比分析了不同类型的车轮摆振现象和特征，结合系统结构组成和系统参数开展了影响因素分析，总结了工程问题解决方法，为车轮摆振的理论研究和工程问题解决提供了参考。

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（责任编辑 斛 畔）

修改稿收到日期为2016年6月17日。

Overview of Influencing Factors and Engineering Solutions for Wheel Wobble

Liu Xiang1,2,Chen Wei1,Zhao Jingshan2
（1.Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center,Wuhan 430056;2.Tsinghua University,Beijing 100081）

This paper firstly elaborated the phenomenon characteristic and classification of wheel wobble,and then discussed the influencing factors and rules in details from the aspects of structural composition and systematic parameter, and made a systematic summary on the engineering solutions of wheel wobble by case study.This paper provided useful reference and guidance for the engineers on the theory study and engineering solutions of wheel wobble.

Wheel wobble,Forced vibration,Self-excited vibration,Influencing factor,Engineering solutions

车轮摆振 强迫摆振 自激摆振 影响因素 工程解决方法

U461.6+1

A

1000-3703（2017）01-0020-06

中国博士后科学基金项目（2016M602268）；湖北省重大科技创新计划项目（2014AAA003）。