前轮和前桥的振动之——操纵机构的振动

2020-02-11 23:46:01· 来源：易萌森戈CAE工作室作者：黄森

汽车操纵机构的振动问题（主要指角振动和横向振动），是目前国内车辆普遍存在的问题，前桥和车轮的角振动不仅使汽车操纵性、平顺性变坏，也影响轮胎以及转向系统

汽车操纵机构的振动问题（主要指角振动和横向振动），是目前国内车辆普遍存在的问题，前桥和车轮的角振动不仅使汽车操纵性、平顺性变坏，也影响轮胎以及转向系统早期磨损，导致行驶过程中额外增加滚动阻力，本节开始对前轮和前桥相关振动基本原理进行介绍，为工程人员提供相应的指导。

1、操纵机构的振动类型

广义的操纵机构包括转向机构和与其相连的前轮以及支持前轮的前桥三个部分，为了研究方向盘和整个转向系统的振动，可把整个系统视为弹簧，质量、阻尼组成的振动系统，如图1所示。

图1 转向系统的力学模型

其中：r是汽车绕Z轴转动的角速度。

操纵机构的振动主要有三种类型：

（1）横向振动：由于悬架和轮胎在横向也有弹性，车桥总成相对于车身在存在横向的振动，如图2。

图2 横向振动和绕主销角振动

（2）前桥绕主销的角振动：汽车在行驶时，前轮可以绕主销左右摇动，这种振动称之为前轮的摆振，汽车在行驶中如果出现这种振动汽车在前行过程中会出现蛇形，图3。在平直路面上出现这种偏离直线行驶的现象表明其直线稳定性较差，恶化了汽车操纵稳定性。

图3 “蛇形现象”

（3）前桥绕汽车轴线的角振动：车轮、前桥和车架在垂直平面和水平平面内均有弹性，其中左右悬架和轮胎的弹性可以使得车桥在垂直平面内绕其中某点作角振动，图4所示。

图4前桥绕汽车纵轴的角振动

2、引起操纵结构振动的原因分析

图5前桥振动模型

前桥通过悬架和弹性轮胎与车厢和地面相连，如图 5 ，前桥绕轴振动时，悬架和轮胎变形所产生的恢复力矩分别为：

设前桥绕汽车纵轴的转动惯量为J,则前桥在垂直平面内的自由振动为：

由此可得前桥角振动的固有频率：

由此可知降低悬架或轮胎刚度以及增大前桥的转动惯量都可以降低前桥角振动的固有频率。

图6 转向轮绕主销振动

拉杆与转向机构和转向轮组成一个绕主销摆动的振动系统，见图6，在振动中转向轮所受的恢复力矩MB不但与拉杆的弹性有关，而且还与车轮的稳定效应有关，设：

由此可得转向轮绕主销振动的固有频率为：

Jz——转向轮绕主销的转动惯量

Cs——转向轮绕主销的角刚度

由上式可知，Cs越小和Jz越大时，转向轮绕主销回转的角振动固有频率越低。

目前由于汽车平顺性的要求，常采用弹性较大的悬架和轮胎，加之前轮装上制动器后，使转动惯量增大，因而车上以上两种振动的固有频率有所降低，在这种情况下提高行驶速度就增加了前桥和转向轮发生共振的可能性。上述两种振动系统在外界激励下，可能激发有阻尼的自由振动、强迫振动和自激振动。

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