車輪擺振影響因素與工程解決方法綜述＊

劉向陳偉趙景山

（1.東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056；2.清華大學(xué)，北京 100081）

車輪擺振影響因素與工程解決方法綜述＊

劉向1,2陳偉1趙景山2

（1.東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056；2.清華大學(xué)，北京 100081）

首先闡述了車輪擺振的現(xiàn)象特征和分類；然后分別從結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)參數(shù)兩個(gè)方面，對(duì)車輪擺振的影響因素和影響規(guī)律進(jìn)行了論述；進(jìn)一步結(jié)合案例對(duì)車輪擺振的工程解決方法進(jìn)行了整理和歸納。對(duì)車輪擺振影響因素與工程解決方法進(jìn)行的系統(tǒng)化和規(guī)范化梳理為其理論研究和工程問題解決提供了有價(jià)值的參考和指導(dǎo)。

1 車輪擺振分類

車輪擺振是指汽車在平坦路面上行駛時(shí)所產(chǎn)生的車輪繞主銷持續(xù)振動(dòng)的現(xiàn)象，影響整車舒適性和安全性[1]。車輪擺振可按振動(dòng)性質(zhì)和擺動(dòng)發(fā)生的車速區(qū)間進(jìn)行分類。

1.1 強(qiáng)迫擺振與自激擺振

車輪擺振是一種相當(dāng)復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)振動(dòng)性質(zhì)可以分為強(qiáng)迫擺振與自激擺振兩大類[2]，兩者的對(duì)比如表1所示。

1.2 低速擺振與高速擺振

根據(jù)擺振發(fā)生的車速區(qū)間不同，可以分為低速擺振與高速擺振。低速時(shí)，車輪等動(dòng)不平衡量對(duì)擺振影響較小，自激擺振占主導(dǎo)作用；高速時(shí)，車輪等動(dòng)不平衡量對(duì)擺振影響較大，屬于強(qiáng)迫擺振[3]。低速擺振一般發(fā)生在50 km/h以內(nèi)，高速擺振一般發(fā)生在60 km/h以上[4]。低速擺振與高速擺振并無(wú)絕對(duì)車速與振動(dòng)類型界線，由于懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的間隙/松曠及參數(shù)匹配不當(dāng)，在實(shí)際中低速?gòu)?qiáng)迫擺振、高速自激擺振及自激-強(qiáng)迫耦合擺振現(xiàn)象均可能產(chǎn)生。

2 車輪擺振影響因素分析

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)可以看作一個(gè)復(fù)雜的彈簧-質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)，引起車輪擺振的原因主要是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不當(dāng)或參數(shù)匹配不合適。

2.1 基于結(jié)構(gòu)組成的影響因素分析

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

車輪擺振主要與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和車輪總成相關(guān)，對(duì)于具有車橋或驅(qū)動(dòng)軸的車型，車輪擺振還與車橋總成及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)[5～6]。根據(jù)汽車構(gòu)造可知，車輪擺振相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

表1 強(qiáng)迫擺振與自激擺振

圖1 車輪擺振相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1.2 影響因素分析

影響車輪擺振的主要因素包括動(dòng)平衡、剛度、阻尼、間隙、摩擦、車輪定位參數(shù)和運(yùn)動(dòng)干涉[14]。根據(jù)擺振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分別闡述各零部件對(duì)車輪擺振的影響，如表2所示。

車輪總成主要是由于動(dòng)平衡超差，造成汽車高速時(shí)強(qiáng)迫擺振。車輪總成動(dòng)平衡超差主要是由于生產(chǎn)制造、輪輞變形、輪胎修補(bǔ)等因素造成。輪轂軸承安裝松動(dòng)或磨損間隙，也會(huì)導(dǎo)致車輪擺振。除此之外，輪胎的剛度和阻尼特性參數(shù)，對(duì)車輪自激擺振有顯著影響[15～16]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車輪擺振的影響主要體現(xiàn)在剛度、阻尼、摩擦、間隙及與懸架的運(yùn)動(dòng)干涉幾方面：改變轉(zhuǎn)向橫拉桿的剛度對(duì)車輪擺振幅值和速度分岔有顯著影響[17]；增加轉(zhuǎn)向減振器提高系統(tǒng)固有阻尼能夠顯著改善車輪擺振[18]；轉(zhuǎn)向管柱、萬(wàn)向節(jié)、球頭副的間隙會(huì)導(dǎo)致車輪擺振幅值增大并改變擺振分岔特性，惡化車輪擺振[19～21]；增大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦力矩，有利于改善車輪擺振[22～23]；減小懸架與轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)干涉量能夠改善車輪擺振[24]。

表2 車輪擺振結(jié)構(gòu)組成影響因素

懸架系統(tǒng)則主要是由于板簧/彈簧、襯套的剛度及減振器匹配不合適導(dǎo)致車輪擺振。板簧/彈簧剛度較小時(shí)，容易造成車輪擺振[25]，通過(guò)橡膠襯套剛度和阻尼敏感性分析，對(duì)襯套進(jìn)行優(yōu)化能夠有效改善車輪擺振[26]。

對(duì)于前橋采用非獨(dú)立懸架的汽車，其車橋總成主要由于車輪定位參數(shù)不合適、主銷摩擦及間隙/松曠導(dǎo)致車輪擺振。車輪定位參數(shù)主要包括車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角，其中主銷內(nèi)傾角、車輪前束角對(duì)車輪擺振有顯著影響[27～28]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦主要是主銷摩擦，因此適當(dāng)增加主銷摩擦能夠改善車輪擺振[22～23]，而主銷間隙/松曠則極易導(dǎo)致車輪擺振[29]，另一方面，通過(guò)安裝主銷止推阻尼軸承，能夠顯著改善車輪擺振[30]。

目前乘用車大多采用前置前驅(qū)的布置形式，因此，驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)平衡超差及布置位置不合理也會(huì)導(dǎo)致車輪擺振[31]。而商用車普遍采用前置后驅(qū)的布置形式，驅(qū)動(dòng)軸則主要影響整車振動(dòng)性能[32]。

總之，車輪擺振與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，工程中車輪擺振大部分是由多個(gè)因素共同引起，解決車輪擺振問題可以依照表2進(jìn)行依次分析和排查。

2.2 基于系統(tǒng)參數(shù)的影響因素分析

雖然通過(guò)大量的試驗(yàn)研究可以定位擺振因素，并消除或改善車輪擺振現(xiàn)象，但是為確保整車品質(zhì)，應(yīng)該在設(shè)計(jì)初期對(duì)擺振進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制[2]。從設(shè)計(jì)上解決車輪擺振問題首先需要深入研究車輪擺振機(jī)理及影響因素，并對(duì)關(guān)鍵零部件及參數(shù)指標(biāo)提出控制要求。

2.2.1 建模與分析研究現(xiàn)狀

車輪擺振機(jī)理研究依賴于理論建模與分析，圖2為經(jīng)典的非獨(dú)立懸架3自由度擺振系統(tǒng)模型[33]，包括兩側(cè)車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)θ1、θ2及車橋繞縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)θ3，建模參數(shù)主要包括輪距、車輪半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效剛度和阻尼、車輪定位參數(shù)、輪胎參數(shù)及車速。非獨(dú)立懸架一般匹配梯形轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而獨(dú)立懸架則匹配齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因而采用獨(dú)立懸架的擺振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型更加復(fù)雜。圖3是某獨(dú)立懸架10自由度擺振模型[34]，其包括θ1、θ2，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ4，齒輪齒條連接處轉(zhuǎn)角θ5，兩側(cè)車輪總成及擺臂橫擺角β1、β2，兩側(cè)車輪總成及擺臂側(cè)擺角α1、α2，車身側(cè)向位移Y及側(cè)傾角φ。

圖2 非獨(dú)立懸架3自由度擺振模型

圖3 獨(dú)立懸架10自由度擺振模型

采用獨(dú)立懸架或非獨(dú)立懸架的車輪擺振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可以規(guī)范表達(dá)為[34]：

式中，X為由自由運(yùn)動(dòng)、輪胎力和回正力矩構(gòu)成的廣義坐標(biāo)；M為由質(zhì)量、慣量構(gòu)成的矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F主要為動(dòng)不平衡導(dǎo)致的激勵(lì)力。

基于車輪擺振動(dòng)力學(xué)模型，許多學(xué)者開展了大量研究，主要包括輪胎力學(xué)特性、車輪定位參數(shù)等對(duì)擺振的影響分析，擺振系統(tǒng)非線性特性及Hopf分岔特性研究。Balaramakrishna[35]、Ran[36]的研究表明輪胎側(cè)偏特性是擺振的重要影響因素；Pacejka[37]結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型闡述了自激擺振機(jī)理；閔永軍[27]、蔣艮生[28]、Dodlbacher[38]的研究表明車輪前束角、外傾角和主銷后傾角對(duì)擺振影響顯著；林逸[33,39]、周兵[40]、Li[41]等學(xué)者則針對(duì)3自由度擺振系統(tǒng)的非線性分岔特性展開研究；王威[42]、魏道高[43]忽略車身的側(cè)向運(yùn)動(dòng)、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)、車輪總成的橫擺和側(cè)擺運(yùn)動(dòng)，建立簡(jiǎn)化的獨(dú)立懸架4自由度動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)獨(dú)立懸架擺振的Hopf分岔特性進(jìn)行了研究；盧劍偉[44]、Zhou[45]著重針對(duì)系統(tǒng)間隙對(duì)擺振的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，考慮系統(tǒng)間隙時(shí)擺振幅值會(huì)顯著增大且系統(tǒng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)趨于復(fù)雜，更易發(fā)生擬周期運(yùn)動(dòng)甚至混沌；蔣艮生[22]、Wei[46]的研究表明系統(tǒng)摩擦是影響自激擺振的重要因素。

在車輪擺振機(jī)理研究基礎(chǔ)上，部分學(xué)者從整車角度建立了包括車輪擺振的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]，進(jìn)一步闡述了車輪擺振的機(jī)理。

車輪擺振理論模型雖然能夠清晰地闡述各參數(shù)對(duì)擺振的影響機(jī)理，但是在建模過(guò)程中需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大幅簡(jiǎn)化，且部分建模參數(shù)較難準(zhǔn)確獲取?；谲浖姆抡娼Ｄ軌蛴行岣叻治鼍萚50]，是研究和解決車輪擺振的重要手段之一。

目前，車輪擺振仿真建模主要分為多剛體模型[51～53]和剛?cè)狍w耦合模型[50,54]。多剛體模型考慮彈性零部件的剛度和阻尼，主要包括彈簧、橡膠襯套、橫向穩(wěn)定桿等，其他結(jié)構(gòu)件均視為剛體；剛?cè)狍w耦合模型則考慮部分結(jié)構(gòu)件的剛度，例如擺臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向管柱等。

車輪擺振仿真建模與分析的一般流程如圖4所示。仿真建模方法具有建模過(guò)程簡(jiǎn)單、仿真精度高、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)目前仿真建模時(shí)鮮有考慮間隙、摩擦等復(fù)雜因素，且尚無(wú)有關(guān)自激擺振的仿真方法見諸報(bào)道。

圖4 車輪擺振仿真建模與分析流程

2.2.2 影響因素分析

根據(jù)建模與分析結(jié)論對(duì)影響車輪擺振的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和歸納，如表3所示，輪胎側(cè)偏剛度、輪胎拖距、主銷后傾角、車輪前束角、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度/阻尼、間隙、摩擦和動(dòng)平衡是影響車輪擺振的關(guān)鍵參數(shù)。

3 車輪擺振工程解決方法

為了避免車輪擺振，首先需要從設(shè)計(jì)上對(duì)關(guān)鍵零部件參數(shù)進(jìn)行控制，然而工程應(yīng)用中由于制造、裝配等因素，車輪擺振現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。形成規(guī)范化的車輪擺振檢測(cè)流程和解決方法，對(duì)于解決車輪擺振問題具有重要意義。

表3 車輪擺振系統(tǒng)參數(shù)影響因素分析

由1.1節(jié)內(nèi)容可知，強(qiáng)迫擺振與自激擺振的表現(xiàn)形式、影響因素和解決措施有明顯差異，因此在工程應(yīng)用中首先可以根據(jù)擺振的特征與試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合表1確認(rèn)擺振類型[55]，再制定試驗(yàn)方案和解決措施。

根據(jù)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的車輪擺振工程問題解決流程如圖5所示。根據(jù)擺振機(jī)理和試驗(yàn)復(fù)雜程度，可以將解決方法分為一般解決措施和綜合解決措施，在工程應(yīng)用中首先采取一般解決措施，若無(wú)法解決，再進(jìn)行有針對(duì)性的試驗(yàn)和分析。

圖5 車輪擺振問題工程解決流程

3.1 一般解決方法

a.動(dòng)平衡測(cè)試與控制

動(dòng)平衡測(cè)試與控制主要針對(duì)車輪總成，用于解決典型的強(qiáng)迫擺振，例如輕型客車[7]、雙前橋牽引車[9]等。造成車輪動(dòng)不平衡的原因主要有制造誤差、輪輞變形失圓、輪輞開裂、補(bǔ)胎、輪輞安裝偏心等，在實(shí)際解決中需要確認(rèn)動(dòng)不平衡的具體原因并改善。

b.車輪定位參數(shù)測(cè)量與調(diào)整

根據(jù)擺振因素的分析可知，主要措施是測(cè)量并調(diào)整車輪前束角和主銷后傾角[56]，車輪外傾角和主銷內(nèi)傾角一般只要求滿足設(shè)計(jì)要求即可。不過(guò)部分車型由于車橋嚴(yán)重變形，會(huì)導(dǎo)致車輪外傾角和主銷后傾角顯著改變，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

c.零部件松曠/間隙檢測(cè)與調(diào)整

工程應(yīng)用中可以根據(jù)表2逐項(xiàng)檢查各個(gè)零部件的松曠和間隙，然后進(jìn)行調(diào)整，主要針對(duì)球頭、軸承、螺栓等零部件。

d.連接件預(yù)緊力調(diào)整

增大連接件預(yù)緊力可以提高系統(tǒng)摩擦，進(jìn)而達(dá)到改善車輪擺振的目的，例如增大主銷軸承安裝預(yù)緊力能夠改善車輪擺振[57]。不過(guò)增大系統(tǒng)摩擦可能影響整車操縱穩(wěn)定性，例如轉(zhuǎn)向回正能力降低。

e.加裝阻尼器件

阻尼器件主要有阻尼軸承[12～13]和轉(zhuǎn)向阻尼器[58]，能夠起到增加系統(tǒng)阻尼、改善車輪擺振的作用。

3.2 綜合解決方法

如果采取上述措施仍無(wú)法解決車輪擺振問題，需要進(jìn)一步結(jié)合仿真分析與試驗(yàn)定位擺振關(guān)鍵影響因素并進(jìn)行參數(shù)匹配與優(yōu)化。車輪擺振試驗(yàn)方法、獲取數(shù)據(jù)和測(cè)量點(diǎn)如表4所示。除路面試驗(yàn)之外，還可以采用車輪擺振試驗(yàn)臺(tái)[59～60]進(jìn)行試驗(yàn)。

表4 車輪擺振試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)和測(cè)量點(diǎn)

綜合解決方法的一般流程可以歸納為：繪制測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)與車速曲線，判斷車速相關(guān)性；車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率分析；確定系統(tǒng)擺振頻率；車輪等旋轉(zhuǎn)件動(dòng)不平衡激勵(lì)頻率相關(guān)性分析；關(guān)鍵零部件模態(tài)試驗(yàn)與分析；頻率規(guī)劃與零部件結(jié)構(gòu)、剛度、阻尼優(yōu)化。

4 車輪擺振未來(lái)研究方向

車輪擺振是一種極其復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象，雖然大量研究人員針對(duì)擺振機(jī)理和抑振方法開展了大量的理論、仿真和試驗(yàn)研究，但是車輪擺振問題在工程應(yīng)用中仍然時(shí)有發(fā)生。車輪擺振相關(guān)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)主要包括以下幾方面：

a.自激擺振理論與工程應(yīng)用關(guān)聯(lián)

強(qiáng)迫擺振機(jī)理比較明晰，工程應(yīng)用中比較容易定位并解決；自激擺振則是由于系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，在足夠大的外部激勵(lì)下導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)和分岔，其機(jī)理非常復(fù)雜且難于辨識(shí)和解決。自激擺振是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，不過(guò)由于其發(fā)生具有不確定性，且系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)與建模參數(shù)間映射困難，導(dǎo)致目前相關(guān)的研究?jī)H停留在理論建模和數(shù)值仿真層面，與實(shí)際工程應(yīng)用關(guān)聯(lián)性較差，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品性能提升和工程問題解決沒有直接的指導(dǎo)作用。因此，自激擺振理論與工程應(yīng)用關(guān)聯(lián)是未來(lái)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

b.擺振的優(yōu)化與控制

車輪擺振的優(yōu)化與控制首先需要建立具有較高精確度的擺振模型，目前在擺振建模與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)方面已有相關(guān)文獻(xiàn)見諸報(bào)道[50]。在已有研究基礎(chǔ)上建立高精度擺振模型，一方面針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行敏感性分析和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，另一方面針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行區(qū)間分析，得到零部件參數(shù)許可設(shè)計(jì)區(qū)間，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)提出直接管控要求。

c.考慮摩擦、間隙等因素的仿真建模

基于CAE軟件的仿真分析雖然具有高效率、高精度的顯著優(yōu)點(diǎn)，然而目前建模時(shí)往往忽略了系統(tǒng)摩擦和間隙等非常關(guān)鍵的影響因素，導(dǎo)致仿真建模只能夠進(jìn)行定性分析。如何添加和設(shè)置摩擦、間隙是仿真建模亟需重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

d.車輪擺振與整車性能匹配研究

車輪擺振并非孤立的汽車特性[62]，影響車輪擺振的參數(shù)對(duì)整車平順性、操縱穩(wěn)定性和輪胎磨損等也有直接影響，例如：增大主銷摩擦力矩可以改善擺振，然而其會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向回正和轉(zhuǎn)向輕便性變差；增大板簧剛度能夠改善車輪擺振，然而其會(huì)導(dǎo)致整車平順性變差；減小車輪前束角既能夠改善車輪擺振，也能降低輪胎磨損。因此，車輪擺振與整車性能的匹配研究是開發(fā)過(guò)程必須關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

車輪擺振作為影響舒適性和安全性的不良振動(dòng)現(xiàn)象，一方面需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化和控制，另一方面需要在工程應(yīng)用中快速定位并解決。本文對(duì)比分析了不同類型的車輪擺振現(xiàn)象和特征，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)參數(shù)開展了影響因素分析，總結(jié)了工程問題解決方法，為車輪擺振的理論研究和工程問題解決提供了參考。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為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

車輪擺振 強(qiáng)迫擺振 自激擺振 影響因素 工程解決方法

U461.6+1

A

1000-3703（2017）01-0020-06

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2016M602268）；湖北省重大科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2014AAA003）。