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轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抖動(dòng)機(jī)理簡(jiǎn)介
2019-06-03 23:39:31· 來(lái)源：易萌森戈CAE工作室 作者：黃森
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)（抖動(dòng)）研究可分為（1）汽車怠速狀態(tài)下方向盤的振動(dòng)；（2）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器助力電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的振動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)；（3）
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)（抖動(dòng)）研究可分為（1）汽車怠速狀態(tài)下方向盤的振動(dòng)；（2）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器助力電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的振動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)；（3）汽車在高速狀態(tài)下方向盤的擺振，高速行駛過(guò)程中的振動(dòng)類型主要有：轉(zhuǎn)向車輪的躍擺振動(dòng)（shimmy）、轉(zhuǎn)向盤繞轉(zhuǎn)（wheel fight）、轉(zhuǎn)向盤扭動(dòng)（nibble）。方向盤的抖動(dòng)一般發(fā)生在汽車怠速或者汽車在中高速行駛下產(chǎn)生的，其振動(dòng)頻率范圍一般在為5~40Hz 左右，屬于低頻。一般情況下方向盤Y向振動(dòng)小于0.5m/s2時(shí)手感覺(jué)不到振動(dòng)，大于1.5 m/s2時(shí)手感到發(fā)麻。 目前減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)的有效方法是對(duì)降低外部對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的激振力，即可能使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)固有頻率與外界激勵(lì)錯(cuò)開。下面主要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的怠速和行駛振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
（1）怠速時(shí)振動(dòng)
汽車怠速時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)激勵(lì)，在汽車遇到等紅燈、堵車等情況時(shí)，汽車方向盤的振動(dòng)如果不能控制在合理范圍內(nèi)會(huì)給駕駛員帶來(lái)極大的困擾，而振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)使駕駛員手臂麻木、焦躁不適，給安全行駛帶來(lái)危險(xiǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)也會(huì)使得接觸零件磨損加速，降低系統(tǒng)使用壽命。正是由于以上原因，抑制汽車怠速時(shí)方向盤的振動(dòng)有著重要意義。
一般情況下，方向盤的振動(dòng)是振動(dòng)激勵(lì)源和系統(tǒng)中傳遞路徑兩個(gè)方面共同引起。汽車怠速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中某階的模態(tài)頻率與激勵(lì)源的頻率相互耦合，而在激勵(lì)源和方向盤的傳遞路徑上又缺少較好的吸振部件或者隔振措施，就會(huì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的共振現(xiàn)象，導(dǎo)致方向盤某方向的振動(dòng)加速度過(guò)大。當(dāng)汽車怠速狀態(tài)開空調(diào)時(shí)，系統(tǒng)中激勵(lì)源有兩個(gè)：一個(gè)是由于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)轉(zhuǎn)不斷的往復(fù)慣性產(chǎn)生的激勵(lì)力，對(duì)于比較常見的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火頻率以二階為主，可以通過(guò)式(1)計(jì)算；二是空調(diào)風(fēng)扇在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于風(fēng)扇扇葉存在動(dòng)不平衡量，產(chǎn)生了以自由振動(dòng)系統(tǒng)中的基頻為主的離心力，形成固定的激勵(lì)源，空調(diào)風(fēng)扇的激勵(lì)頻率可以通過(guò)式(2)計(jì)算。
f 表示發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率(Hz)， f'表示空調(diào)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(Hz)，
n表示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)，n'表示空調(diào)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(r/min)，i表示發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)。
一般在研究汽車怠速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，方向盤的抖動(dòng)主要考慮來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)風(fēng)扇的激勵(lì)，其他子系統(tǒng)傳遞路徑對(duì)方向盤的振動(dòng)影響較小，可以忽略。方向盤的振動(dòng)主要通過(guò)以下傳遞路徑：一是發(fā)動(dòng)機(jī)自身的激勵(lì)經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置減振，通過(guò)前儀表盤橫梁、車架傳遞到方向盤，另一種是發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)通過(guò)前副車架，經(jīng)過(guò)左右轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向器，通過(guò)轉(zhuǎn)向管柱等部件最終傳遞到方向盤；二是發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)先通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置減振，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向橫拉桿、車架最終傳遞到方向盤；三是發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)，通過(guò)排氣系統(tǒng)，經(jīng)吊耳、車架、儀表盤管梁以及轉(zhuǎn)向管柱，最后傳遞到方向盤?？照{(diào)風(fēng)扇的振動(dòng)先通過(guò)冷卻系統(tǒng)減震墊減振，經(jīng)過(guò)車架和轉(zhuǎn)向管柱的傳遞，最終引起方向盤的振動(dòng)。這兩種方式的傳遞路徑如圖2所示。
圖2 怠速激勵(lì)振動(dòng)傳遞
由于發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車怠速狀態(tài)下引起的激勵(lì)，導(dǎo)致方向盤的振動(dòng)，一般情況下可采用模態(tài)分析的方法，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速時(shí)的點(diǎn)火頻率避開，而測(cè)量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率的方法，目前可以用試驗(yàn)和仿真模擬兩種方法測(cè)得其模態(tài)振型和頻率。
（2）行駛狀態(tài)振動(dòng)
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)有多種形式，當(dāng)汽車在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，車輪如果繞其主銷軸線做不間斷的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)經(jīng)傳遞路徑在方向盤產(chǎn)生繞自身軸心的回轉(zhuǎn)抖動(dòng)，從而引起車身橫向振動(dòng)。這種振動(dòng)是汽車高速行駛時(shí)，車身的低階固有頻率與傳動(dòng)系統(tǒng)低階固有頻率相近引起的共振，或者是路面給輪胎的反作用力通過(guò)輪胎經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞，形成頻率較窄的外部激勵(lì)，也可由發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火爆燃所引起的沖擊形成的強(qiáng)迫振動(dòng)等等。這些原因引起的振動(dòng)可能振幅不是很大，但是可以通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)的連接，最終感覺(jué)到方向盤的抖動(dòng)。
汽車在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，車輪如果繞其主銷軸線做不間斷的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)經(jīng)傳遞路徑在方向盤產(chǎn)生繞自身軸心的回轉(zhuǎn)抖動(dòng)，從而引起車身橫向振動(dòng)。振動(dòng)量的大小可以用方向盤繞自身軸心的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)的角速度表示，而振動(dòng)加速度a可以用角速度表示其中R代表方向盤的半徑大小，代表方向盤振動(dòng)時(shí)角速度大小，角速度越大，根據(jù)方程，方向盤的振動(dòng)加速度也就越大，所以為了方便，本文將用振動(dòng)加速度的幅值來(lái)作方向盤振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
車輪繞其主銷軸線做回轉(zhuǎn)擺動(dòng)的原因是車輪存在質(zhì)量、尺寸以及剛度的不均勻性，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因車輪制造不均勻性而產(chǎn)生離心力，產(chǎn)生輪胎的動(dòng)不平衡，如圖3和圖4所示，其中質(zhì)量塊m 與車輪軸心線的距離為r ，兩個(gè)質(zhì)量塊的水平距離為d ，設(shè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ，那么兩個(gè)質(zhì)量塊所產(chǎn)生的離心力
形成的力偶為：
輪胎的側(cè)向擺動(dòng)正是由于此力偶造成的，特別是此擺動(dòng)的頻率如果與轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱和方向盤等機(jī)構(gòu)組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的頻率相近時(shí)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的共振，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生較為劇烈的扭轉(zhuǎn)和回?cái)[，也就是強(qiáng)迫型的擺振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象最后通過(guò)方向盤的抖動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)。
圖3 車輪尺寸、剛度不均勻性
圖4 車輪不平衡質(zhì)量塊分布
由于目前輪胎所選橡膠材質(zhì)以及制造工藝水平的差異，極易使車輪質(zhì)量分布不均，導(dǎo)致車輪的動(dòng)平衡問(wèn)題。因此，當(dāng)汽車行駛在平穩(wěn)路面時(shí)，路面會(huì)給車輪帶來(lái)周期性的持續(xù)激勵(lì)。激勵(lì)頻率近似公式
路面給車輪的激勵(lì)一般由輪胎型號(hào)控制的，所以很難改變激勵(lì)的大小，汽車在高速行駛時(shí)，方向盤的抖動(dòng)會(huì)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)，影響汽車整體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和安全性。而這種缺陷在汽車上所表現(xiàn)出的特點(diǎn)是：
(1) 由于這種抖動(dòng)特性需要特定的觸發(fā)條件，一般來(lái)說(shuō)舊汽車相比于新汽車而言，由于零部件之間的磨損以及橡膠的老化問(wèn)題，更容易產(chǎn)生這種振動(dòng)特性，并不是所有的汽車都有此種情況；
(2) 根據(jù)質(zhì)量塊所產(chǎn)生的離心力的公式，其質(zhì)量塊的質(zhì)量越大，這種抖動(dòng)也就越明顯；
(3) 方向盤抖動(dòng)的嚴(yán)重程度一般跟自身的車速有關(guān)，而且是在某個(gè)特定的車速區(qū)間內(nèi)其振動(dòng)最為強(qiáng)烈。
強(qiáng)迫擺振由周期性的干擾源引起，主要來(lái)自車輪的不平衡、端面擺差、徑向擺差一級(jí)輪胎特性沿著周長(zhǎng)的不均勻性，另外適當(dāng)?shù)脑黾討壹軇偠取壹茈p向阻尼系數(shù)、橫向穩(wěn)定桿剛度、優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置可以降低轉(zhuǎn)向擺振。
由于汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)的機(jī)理也不盡相同。而這種差異其中一個(gè)是體現(xiàn)在兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下建立的有限元模型的不同，怠速狀態(tài)建立的模型較為簡(jiǎn)單，高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立的模型較為復(fù)雜；另一個(gè)差異性是兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析流程和復(fù)雜程度的不同。
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確的有限元模型，為了計(jì)算節(jié)省時(shí)間以及更容易地觀察子系統(tǒng)的振動(dòng)情況，可以將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單獨(dú)從整車模型中提取出來(lái)。圖5 左邊圖是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)怠速狀態(tài)振動(dòng)分析模型，右邊圖是高速狀態(tài)振動(dòng)分析模型，其中兩者的區(qū)別：(1)高速狀態(tài)下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型更為復(fù)雜和全面，考慮到了從路面?zhèn)鬟f來(lái)的激勵(lì)，同時(shí)忽略掉輪胎建模的復(fù)雜性，可以轉(zhuǎn)向節(jié)處施加激勵(lì)；(2)右圖中所要建立的有限元模型更接近實(shí)際情況，圖中的轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿等零部件采用的是實(shí)體網(wǎng)格，連接處的襯套等減振緩沖部件采用CBUSH 單元模擬彈簧，這樣在分析該結(jié)構(gòu)對(duì)減振問(wèn)題影響的時(shí)候比較有利，而且對(duì)于探討高速路況下方向盤的振動(dòng)，分析各個(gè)零部件之間的傳遞路徑時(shí)很方便；(3)兩種狀態(tài)的分析振動(dòng)方式有所不同，對(duì)于怠速振動(dòng)分析，一般關(guān)心的是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率相互錯(cuò)開，避免共振，而高速行駛下方向盤振動(dòng)分析是由車輪上輸入的振動(dòng)加速度頻譜當(dāng)作系統(tǒng)激勵(lì)，以方向盤12 點(diǎn)位置處的振動(dòng)加速度大小或者振動(dòng)角速度大小為響應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)方向盤振動(dòng)大小的方法。
圖5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)怠速狀態(tài)振動(dòng)分析模型和高速狀態(tài)振動(dòng)分析模型
圖6高速行駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型
表1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前8 階模態(tài)固有頻率統(tǒng)計(jì)表，圖7位各階模態(tài)振型
表 1
圖7轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前8 階模態(tài)振型
圖8
圖8為實(shí)測(cè)的一組左右轉(zhuǎn)向激勵(lì)點(diǎn)的加速度功率譜密度曲線，從中可以看出，各個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)的峰值及峰值頻率較為接近，均在29Hz 附近，處于方向盤敏感頻率范圍內(nèi)。將上述試驗(yàn)結(jié)果作為激勵(lì)，激勵(lì)點(diǎn)加載位置，見圖9
圖9 激勵(lì)和響應(yīng)點(diǎn)位置
圖10 響應(yīng)
圖10可見，在頻率29Hz 附近，方向盤的振動(dòng)加速度幅值已經(jīng)達(dá)到了1.48m/s2，這段頻率正是方向盤的固有頻率，與激勵(lì)源的頻率相互耦合發(fā)生共振。另外，機(jī)械的振動(dòng)是由激勵(lì)源或者傳遞函數(shù)，一方面或者兩方面共同引起的。激勵(lì)源引起的振動(dòng)需要從源頭上將激勵(lì)進(jìn)行隔離或者減小，或改變結(jié)構(gòu)本身固有頻率避開激勵(lì)頻率。雖然提高方向盤本身固有頻率可以避開此頻率段，但由車輪動(dòng)不平衡產(chǎn)生的激勵(lì)源的頻率會(huì)隨著車速的改變而發(fā)生變化，不能從根本上解決其振動(dòng)原因。而傳遞函數(shù)引起的方向盤振動(dòng)問(wèn)題需要利用仿真模型進(jìn)行分析，在Virtual.lab的頻響函數(shù)選項(xiàng)下計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)到方向盤的傳遞函數(shù)，得到曲線如
圖11 傳遞函數(shù)
從圖中可以觀察到，在問(wèn)題頻率29Hz 左右并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大峰值，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中沒(méi)有部件與方向盤的在29Hz 的模態(tài)相接近，若提高或減小方向盤固有頻率，隨著車速的改變，激勵(lì)的頻率也會(huì)隨之變化，所以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)零部件厚度或增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)剛度的方式是無(wú)法抑制振動(dòng)的。針對(duì)此問(wèn)題可在方向盤上添加動(dòng)力吸振器，利用吸收振動(dòng)元件能量的方法，使得方向盤的振動(dòng)情況得到控制。
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