高速方向盤擺振問(wèn)題關(guān)鍵控制路徑研究

摘要：Nibble問(wèn)題隨樣本量增加而成顯著增長(zhǎng)，為了避免其在投產(chǎn)和售后階段出現(xiàn)大規(guī)模爆發(fā)，需要花費(fèi)大量的人力和物力來(lái)解決。研究方向盤擺振問(wèn)題在新車開(kāi)發(fā)過(guò)程中管控的方法，通過(guò)對(duì)方向盤抖動(dòng)機(jī)理和傳遞路徑研究，并借用CAE軟件分析研究靈敏度因子，組合有效方案，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)和零部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合實(shí)車調(diào)校和驗(yàn)證，使方向盤抖動(dòng)問(wèn)題在新車型投產(chǎn)前就能夠得到有效控制。

關(guān)鍵詞：方向盤擺振；DOE分析；輪胎均勻性；轉(zhuǎn)向助力特性；固有頻率

高速方向盤擺振使方向盤持續(xù)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，影響轉(zhuǎn)向操縱性，嚴(yán)重時(shí)使車身產(chǎn)生明顯晃動(dòng)現(xiàn)象。隨著高速公路駕駛工況增多，Nibble關(guān)注度越來(lái)越高。設(shè)計(jì)上規(guī)避Nibble成為新車型開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，其涉及到輪胎、懸掛、轉(zhuǎn)向等多個(gè)系統(tǒng)耦合，難解耦，若前期設(shè)計(jì)不當(dāng)，底盤數(shù)據(jù)凍結(jié)后，Nibble問(wèn)題可能會(huì)更加難解決。

機(jī)理分析

方向盤抖動(dòng)主要發(fā)生車速在100～120km/h，車輪等旋轉(zhuǎn)件在旋轉(zhuǎn)時(shí)，因質(zhì)量、力、尺寸等的不均勻，產(chǎn)生力波動(dòng)，一部分通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞給方向盤，產(chǎn)生明顯的方向盤擺振，定義為Nibble。另一部分通過(guò)懸架傳遞給車架車身，駕駛室座椅、地板和方向盤等產(chǎn)生明顯的垂向抖動(dòng)，定義為shake。

傳遞路徑

方向盤抖動(dòng)從激勵(lì)源車輪-路面和發(fā)動(dòng)機(jī)輸入，方向盤反饋輸出，中間傳遞路徑較多，涵蓋了懸架/轉(zhuǎn)向/制動(dòng)/動(dòng)力傳動(dòng)等多個(gè)系統(tǒng)零部件。當(dāng)激勵(lì)頻率與其中某部件固有頻率發(fā)生耦合時(shí)，就會(huì)激勵(lì)共振，放大能量，加劇方向盤抖動(dòng)。

關(guān)鍵系統(tǒng)研究

根據(jù)Nibble發(fā)生機(jī)理和傳遞路徑，結(jié)合以往項(xiàng)目案例和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將擺振問(wèn)題從車輪端激勵(lì)和車輛敏感性進(jìn)行分解，列出分析圖，如圖1所示，主要從車輪、懸掛和轉(zhuǎn)向這三個(gè)系統(tǒng)來(lái)逐步研究。

靈敏度因子分析

Nibble DOE分析對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)和零部件設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義，例如賈小利等人通過(guò)DOE正交試驗(yàn)優(yōu)化系統(tǒng)襯套參數(shù)，有效地抑制擺振現(xiàn)象，取得良好的工程應(yīng)用效果[1]。

當(dāng)懸掛（轉(zhuǎn)向）硬點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)凍結(jié)后，后期可調(diào)整的空間很小，或者調(diào)整代價(jià)非常大，所以需從前期設(shè)計(jì)上進(jìn)行反復(fù)分析和驗(yàn)證，提前規(guī)避問(wèn)題。通過(guò)CAE仿真軟件Adams創(chuàng)建整車模型，分析出Nibble主要靈敏度因子，對(duì)影響較高因子進(jìn)行組合推薦，給出Nibble優(yōu)化建議，如圖2所示。

關(guān)鍵部件管控

1.輪胎設(shè)計(jì)

輪胎是激勵(lì)源頭，由于質(zhì)量、內(nèi)部剛度和幾何尺寸等不均勻性，使車輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生激勵(lì)力，通過(guò)懸掛和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞反饋到方向盤上產(chǎn)生擺振，提高輪胎均勻性控制能有效減小Nibble的響應(yīng)。劉程等對(duì)輪胎均勻性參數(shù)及影響因素做了比較詳細(xì)的闡述和驗(yàn)證[2]。

（1）質(zhì)量均勻性：動(dòng)平衡 經(jīng)評(píng)估，當(dāng)動(dòng)平衡殘余量接近30g時(shí)就容易出現(xiàn)Nibble，這時(shí)候就有必要對(duì)車輪進(jìn)行重新動(dòng)平衡，主機(jī)廠對(duì)動(dòng)平衡殘余量的控制標(biāo)準(zhǔn)一般在8～15g，這里推薦≤10g。

另外，動(dòng)平衡在左右車輪的相位分布也有較大關(guān)系，這里將動(dòng)平衡也進(jìn)一步分解為偶平衡和靜平衡，輪胎動(dòng)平衡塊在左右位置相同時(shí)，稱為out of phase，而位置對(duì)稱時(shí)，稱為couple in phase，如圖3所示。經(jīng)分析，out of phase時(shí)，方向盤擺振響應(yīng)較大，較容易感知到Nibble，而in phase時(shí)，響應(yīng)很小，不容易察覺(jué)到Nibble。

（2）力均勻性：RFV和TFV 車輛行駛中，輪胎徑向力偏差RFV及一次諧波R1H產(chǎn)生徑向力波動(dòng)，引發(fā)車輪垂向抖動(dòng)。而切向力偏差TFV及一次諧波T1H使輪胎產(chǎn)生切向波動(dòng)力，引發(fā)車輪縱向抖動(dòng)。劉鳳陽(yáng)等研究了RFV隨車速增加變化不明顯，而TFV隨車速增加而顯著增加[3]，如圖4所示。因此，車輛在高速行駛下，TFV對(duì)Nibble的影響也更大，但目前國(guó)內(nèi)輪胎廠對(duì)TFV/T1H研究較少，無(wú)法量化控制。

因此，加強(qiáng)對(duì)RFV的管控，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，這里根據(jù)RFV值挑選一批輪胎，將其分為A、B兩組。其中：A組RFV＞120N，B組RFV＜100N。經(jīng)驗(yàn)證，B組Nibble表現(xiàn)明顯更好。

（3）尺寸均勻性：RRO和LRO 當(dāng)車輛長(zhǎng)時(shí)間靜置或車輪發(fā)生磕碰導(dǎo)致胎體失圓，或輪胎在制造過(guò)程中就出現(xiàn)了尺寸偏差等，也很容易引發(fā)Nibble，通常對(duì)輪胎徑向尺寸偏差（RRO）和側(cè)向尺寸偏差（LRO）進(jìn)行控制，一般推薦＜1.2mm。

另外，輪輞與輪轂軸承的裝配也非常重要，若配合間隙過(guò)大，使輪輞和輪轂軸承不同心，從而導(dǎo)致Nibble進(jìn)一步惡化。一般需對(duì)輪輞中心孔公差和輪轂軸承外徑公差進(jìn)行管控，而配合間隙又不能過(guò)小，否則容易裝配干涉。目前國(guó)內(nèi)已普及用錐形螺栓定位來(lái)替代中心孔定位，其同軸度更好。

2.懸掛設(shè)計(jì)

Nibble發(fā)生時(shí)，車輪繞主銷軸線持續(xù)回旋擺動(dòng)，轉(zhuǎn)向梯形和主銷臂參數(shù)對(duì)擺振有力臂放大作用，通過(guò)大量實(shí)車仿真分析并經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，加大轉(zhuǎn)向梯形臂長(zhǎng)和減小主銷力臂能有效控制方向盤擺振現(xiàn)象。

（1）轉(zhuǎn)向梯形臂設(shè)計(jì) 對(duì)于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，梯形縱臂長(zhǎng)l一般推薦135～145mm，該值越大越有利于降低擺振的敏感性。但不能過(guò)大，否則將影響最大齒條力，最小轉(zhuǎn)彎直徑及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比等。

（2）主銷參數(shù)設(shè)計(jì) 對(duì)于雙叉臂型懸掛，主銷W值一般推薦≤5mm，而輪心偏置距KPOS值推薦≤90mm時(shí)，該值越小越有利于降低擺振的敏感性。但不能過(guò)小，否則將影響轉(zhuǎn)向回正，彎道轉(zhuǎn)矩增益及高速直線轉(zhuǎn)向調(diào)控等。

（3）懸掛Kamp;C設(shè)計(jì) 懸掛Kamp;C特性對(duì)Nibble也有一定影響，車輪跳動(dòng)時(shí)前束梯度（Bump steer）、外傾梯度（Bump camber）和回正力柔度（Aligning Torque compliance）適當(dāng)設(shè)計(jì)小些，有利于降低Nibble激勵(lì)，根據(jù)CAE模型分析靜態(tài)前束（toe）和外傾（camber）對(duì)擺振影響小，而輪跳過(guò)程中負(fù)前束（toe）變化及正外傾（camber）變化有利于減小擺振激勵(lì)，較高的輪心縱向（退讓）剛度有利于減小方向盤擺振響應(yīng)。

3.轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向器作為Nibble重要傳遞介質(zhì)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)管控Nibble方法通常為：一是增加方向盤慣量，二是增加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼，三是降低轉(zhuǎn)向扭轉(zhuǎn)剛度。

除上述，本文還研究了轉(zhuǎn)向助力特性調(diào)校對(duì)Nibble也有一定影響，即在不改變扭桿剛度（T-bar）下，通過(guò)改變閥芯表面幾何特性來(lái)改變轉(zhuǎn)向手感[4]。這里將轉(zhuǎn)閥刃口寬度由0.19mm減小到0.16mm，使中心區(qū)在壓力P0±0.5MPa附近助力變大，如圖5所示，車輪激勵(lì)轉(zhuǎn)向齒條橫向移動(dòng)時(shí)受到更大的液壓阻力抵抗沖擊，使方向盤擺振減弱。經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，轉(zhuǎn)閥刃口寬減小后，Nibble主觀提升0.25分。

4.模態(tài)控制

高速行駛時(shí)的方向盤擺振一般是由車輪總成與地面激勵(lì)而產(chǎn)生，而當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)頻率與懸架固有頻率接近時(shí)，就會(huì)加劇擺振。而輪胎旋轉(zhuǎn)方向和簧下前后方向模態(tài)更容易發(fā)生耦合問(wèn)題。

如圖6所示，在對(duì)Nibble問(wèn)題車進(jìn)行主客觀測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，車速在115km/h時(shí)出現(xiàn)了擺振現(xiàn)象，振動(dòng)加速度和速度響應(yīng)最大峰值都是13.3Hz。

根據(jù)公式，車輪行駛頻率f=速度v/（2πr），當(dāng)車速100～120km/h行駛時(shí)，車輪行駛頻率為11～14Hz（見(jiàn)表1），與Nibble發(fā)生頻率接近，也與表2中模態(tài)分析的懸架簧下反向垂跳模態(tài)（Tramp）與前后步行模態(tài)（Walk）頻率接近。

經(jīng)過(guò)模態(tài)優(yōu)化分析，通過(guò)對(duì)下擺臂襯套和輪胎剛度等調(diào)?？梢愿淖儾叫心B(tài)（walk）。提高步行模態(tài)（walk）頻率，一方面有利于將擺振車速提高到120km以上，另一方面使hop、tramp和walk模態(tài)頻率盡可能相互避開(kāi)1～2Hz。經(jīng)最終調(diào)校，將Walk頻率提升至14.7Hz，Nibble改善明顯，主觀提升0.5分。

結(jié)語(yǔ)

本文基于CAE DOE分析和驗(yàn)證，總結(jié)Nibble關(guān)鍵控制方法，在車輪系統(tǒng)上，通過(guò)加強(qiáng)輪胎均勻性控制，來(lái)減小激勵(lì)端輸入。在懸掛系統(tǒng)上，通過(guò)加大梯形縱臂長(zhǎng)度，并減小主銷W值和KPOS值來(lái)降低Nibble敏感性。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，通過(guò)增加系統(tǒng)阻尼和減小扭轉(zhuǎn)剛度，并優(yōu)化助力曲線來(lái)削弱Nibble傳遞。在模態(tài)控制上，通過(guò)提高walking模態(tài)，避免激勵(lì)共振。系列措施在新車型實(shí)施后，基本無(wú)抱怨。

另外，由于造型和市場(chǎng)需求的變化，對(duì)輪胎尺寸的追求越來(lái)越大，諸如此類，不利于Nibble管控。目前最有效的辦法是配置EPS轉(zhuǎn)向，并增加ANC（Active Nibble Compensation）高級(jí)功能。此外，國(guó)內(nèi)還應(yīng)用了一些新措施，比如在方向盤和管柱上增加扭轉(zhuǎn)吸振器[5]，在轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)上增加減振器[6]等，有一定效果，但由于成本較高，未能普及。

參考文獻(xiàn)：

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