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转向系统抖动机理简介
2019-06-03 23:39:31· 来源：易萌森戈CAE工作室 作者：黄森
转向系统的振动（抖动）研究可分为（1）汽车怠速状态下方向盘的振动；（2）电动助力转向器助力电机产生的振动和液压动力转向器的振动导致的转向系统振动；（3）
转向系统的振动（抖动）研究可分为（1）汽车怠速状态下方向盘的振动；（2）电动助力转向器助力电机产生的振动和液压动力转向器的振动导致的转向系统振动；（3）汽车在高速状态下方向盘的摆振，高速行驶过程中的振动类型主要有：转向车轮的跃摆振动（shimmy）、转向盘绕转（wheel fight）、转向盘扭动（nibble）。方向盘的抖动一般发生在汽车怠速或者汽车在中高速行驶下产生的，其振动频率范围一般在为5~40Hz 左右，属于低频。一般情况下方向盘Y向振动小于0.5m/s2时手感觉不到振动，大于1.5 m/s2时手感到发麻。 目前减小转向系统振动的有效方法是对降低外部对转向系统的激振力，即可能使转向系统振动固有频率与外界激励错开。下面主要对转向系统的怠速和行驶振动产生机理进行简要介绍。
（1）怠速时振动
汽车怠速时，由于发动机的持续激励，在汽车遇到等红灯、堵车等情况时，汽车方向盘的振动如果不能控制在合理范围内会给驾驶员带来极大的困扰，而振动时间较长，会使驾驶员手臂麻木、焦躁不适，给安全行驶带来危险，同时转向系统的振动也会使得接触零件磨损加速，降低系统使用寿命。正是由于以上原因，抑制汽车怠速时方向盘的振动有着重要意义。
一般情况下，方向盘的振动是振动激励源和系统中传递路径两个方面共同引起。汽车怠速运行时，当转向系统中某阶的模态频率与激励源的频率相互耦合，而在激励源和方向盘的传递路径上又缺少较好的吸振部件或者隔振措施，就会引起转向系统的共振现象，导致方向盘某方向的振动加速度过大。当汽车怠速状态开空调时，系统中激励源有两个：一个是由于发动机活塞运转不断的往复惯性产生的激励力，对于比较常见的四冲程发动机，点火频率以二阶为主，可以通过式(1)计算；二是空调风扇在高速运转时，由于风扇扇叶存在动不平衡量，产生了以自由振动系统中的基频为主的离心力，形成固定的激励源，空调风扇的激励频率可以通过式(2)计算。
f 表示发动机点火频率(Hz)， f'表示空调风扇转动频率(Hz)，
n表示发动机的转速(r/min)，n'表示空调风扇转速(r/min)，i表示发动机的缸数。
一般在研究汽车怠速转向系统的振动问题时，方向盘的抖动主要考虑来自发动机和空调风扇的激励，其他子系统传递路径对方向盘的振动影响较小，可以忽略。方向盘的振动主要通过以下传递路径：一是发动机自身的激励经过发动机悬置减振，通过前仪表盘横梁、车架传递到方向盘，另一种是发动机的激励通过前副车架，经过左右转向节、转向摇臂、转向器，通过转向管柱等部件最终传递到方向盘；二是发动机激励先通过发动机悬置减振，经过转向横拉杆、车架最终传递到方向盘；三是发动机的激励，通过排气系统，经吊耳、车架、仪表盘管梁以及转向管柱，最后传递到方向盘。空调风扇的振动先通过冷却系统减震垫减振，经过车架和转向管柱的传递，最终引起方向盘的振动。这两种方式的传递路径如图2所示。
图2 怠速激励振动传递
由于发动机在汽车怠速状态下引起的激励，导致方向盘的振动，一般情况下可采用模态分析的方法，将转向系统自身的固有频率与发动机的怠速时的点火频率避开，而测量转向系统的固有频率的方法，目前可以用试验和仿真模拟两种方法测得其模态振型和频率。
（2）行驶状态振动
转向系统的振动有多种形式，当汽车在高速运动时，车轮如果绕其主销轴线做不间断的回转摆动，会导致激励经传递路径在方向盘产生绕自身轴心的回转抖动，从而引起车身横向振动。这种振动是汽车高速行驶时，车身的低阶固有频率与传动系统低阶固有频率相近引起的共振，或者是路面给轮胎的反作用力通过轮胎经传动系统的传递，形成频率较窄的外部激励，也可由发动机点火爆燃所引起的冲击形成的强迫振动等等。这些原因引起的振动可能振幅不是很大，但是可以通过各个系统的连接，最终感觉到方向盘的抖动。
汽车在高速运动时，车轮如果绕其主销轴线做不间断的回转摆动，会导致激励经传递路径在方向盘产生绕自身轴心的回转抖动，从而引起车身横向振动。振动量的大小可以用方向盘绕自身轴心的回转摆动的角速度表示，而振动加速度a可以用角速度表示其中R代表方向盘的半径大小，代表方向盘振动时角速度大小，角速度越大，根据方程，方向盘的振动加速度也就越大，所以为了方便，本文将用振动加速度的幅值来作方向盘振动的评价指标。
车轮绕其主销轴线做回转摆动的原因是车轮存在质量、尺寸以及刚度的不均匀性，在车轮转动时，因车轮制造不均匀性而产生离心力，产生轮胎的动不平衡，如图3和图4所示，其中质量块m 与车轮轴心线的距离为r ，两个质量块的水平距离为d ，设车轮转动时的角速度为 ，那么两个质量块所产生的离心力
形成的力偶为：
轮胎的侧向摆动正是由于此力偶造成的，特别是此摆动的频率如果与转向器、转向管柱和方向盘等机构组成的转向系统机构的频率相近时，就会引起转向系统的共振，导致系统发生较为剧烈的扭转和回摆，也就是强迫型的摆振现象，这种现象最后通过方向盘的抖动所表现出来。
图3 车轮尺寸、刚度不均匀性
图4 车轮不平衡质量块分布
由于目前轮胎所选橡胶材质以及制造工艺水平的差异，极易使车轮质量分布不均，导致车轮的动平衡问题。因此，当汽车行驶在平稳路面时，路面会给车轮带来周期性的持续激励。激励频率近似公式
路面给车轮的激励一般由轮胎型号控制的，所以很难改变激励的大小，汽车在高速行驶时，方向盘的抖动会带来一定的危险，影响汽车整体的运动稳定性和安全性。而这种缺陷在汽车上所表现出的特点是：
(1) 由于这种抖动特性需要特定的触发条件，一般来说旧汽车相比于新汽车而言，由于零部件之间的磨损以及橡胶的老化问题，更容易产生这种振动特性，并不是所有的汽车都有此种情况；
(2) 根据质量块所产生的离心力的公式，其质量块的质量越大，这种抖动也就越明显；
(3) 方向盘抖动的严重程度一般跟自身的车速有关，而且是在某个特定的车速区间内其振动最为强烈。
强迫摆振由周期性的干扰源引起，主要来自车轮的不平衡、端面摆差、径向摆差一级轮胎特性沿着周长的不均匀性，另外适当的增加悬架刚度、悬架双向阻尼系数、横向稳定杆刚度、优化转向机构布置可以降低转向摆振。
由于汽车运动状态的不同，转向系统振动的机理也不尽相同。而这种差异其中一个是体现在两种运动状态下建立的有限元模型的不同，怠速状态建立的模型较为简单，高速运动状态建立的模型较为复杂；另一个差异性是两种运动状态分析流程和复杂程度的不同。
在有限元仿真分析中，首先也是重要的一步是建立完整而精确的有限元模型，为了计算节省时间以及更容易地观察子系统的振动情况，可以将转向系统单独从整车模型中提取出来。图5 左边图是转向系统怠速状态振动分析模型，右边图是高速状态振动分析模型，其中两者的区别：(1)高速状态下转向系统的模型更为复杂和全面，考虑到了从路面传递来的激励，同时忽略掉轮胎建模的复杂性，可以转向节处施加激励；(2)右图中所要建立的有限元模型更接近实际情况，图中的转向节、转向拉杆等零部件采用的是实体网格，连接处的衬套等减振缓冲部件采用CBUSH 单元模拟弹簧，这样在分析该结构对减振问题影响的时候比较有利，而且对于探讨高速路况下方向盘的振动，分析各个零部件之间的传递路径时很方便；(3)两种状态的分析振动方式有所不同，对于怠速振动分析，一般关心的是转向系统的固有频率与发动机怠速频率相互错开，避免共振，而高速行驶下方向盘振动分析是由车轮上输入的振动加速度频谱当作系统激励，以方向盘12 点位置处的振动加速度大小或者振动角速度大小为响应来评价方向盘振动大小的方法。
图5转向系统怠速状态振动分析模型和高速状态振动分析模型
图6高速行驶状态下转向系统有限元网格模型
表1转向系统前8 阶模态固有频率统计表，图7位各阶模态振型
表 1
图7转向系统前8 阶模态振型
图8
图8为实测的一组左右转向激励点的加速度功率谱密度曲线，从中可以看出，各个传感器测点的峰值及峰值频率较为接近，均在29Hz 附近，处于方向盘敏感频率范围内。将上述试验结果作为激励，激励点加载位置，见图9
图9 激励和响应点位置
图10 响应
图10可见，在频率29Hz 附近，方向盘的振动加速度幅值已经达到了1.48m/s2，这段频率正是方向盘的固有频率，与激励源的频率相互耦合发生共振。另外，机械的振动是由激励源或者传递函数，一方面或者两方面共同引起的。激励源引起的振动需要从源头上将激励进行隔离或者减小，或改变结构本身固有频率避开激励频率。虽然提高方向盘本身固有频率可以避开此频率段，但由车轮动不平衡产生的激励源的频率会随着车速的改变而发生变化，不能从根本上解决其振动原因。而传递函数引起的方向盘振动问题需要利用仿真模型进行分析，在Virtual.lab的频响函数选项下计算转向节到方向盘的传递函数，得到曲线如
图11 传递函数
从图中可以观察到，在问题频率29Hz 左右并没有出现过大峰值，且转向系统中没有部件与方向盘的在29Hz 的模态相接近，若提高或减小方向盘固有频率，随着车速的改变，激励的频率也会随之变化，所以通过优化结构零部件厚度或增强其结构刚度的方式是无法抑制振动的。针对此问题可在方向盘上添加动力吸振器，利用吸收振动元件能量的方法，使得方向盘的振动情况得到控制。
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