高速方向盤擺振問題關鍵控制路徑研究

摘要：Nibble問題隨樣本量增加而成顯著增長，為了避免其在投產和售后階段出現大規模爆發，需要花費大量的人力和物力來解決。研究方向盤擺振問題在新車開發過程中管控的方法，通過對方向盤抖動機理和傳遞路徑研究，并借用CAE軟件分析研究靈敏度因子，組合有效方案，對關鍵系統和零部件參數進行優化，結合實車調校和驗證，使方向盤抖動問題在新車型投產前就能夠得到有效控制。

關鍵詞：方向盤擺振；DOE分析；輪胎均勻性；轉向助力特性；固有頻率

高速方向盤擺振使方向盤持續產生回轉擺動，影響轉向操縱性，嚴重時使車身產生明顯晃動現象。隨著高速公路駕駛工況增多，Nibble關注度越來越高。設計上規避Nibble成為新車型開發的重點，也是難點，其涉及到輪胎、懸掛、轉向等多個系統耦合，難解耦，若前期設計不當，底盤數據凍結后，Nibble問題可能會更加難解決。

機理分析

方向盤抖動主要發生車速在100～120km/h，車輪等旋轉件在旋轉時，因質量、力、尺寸等的不均勻，產生力波動，一部分通過轉向系統傳遞給方向盤，產生明顯的方向盤擺振，定義為Nibble。另一部分通過懸架傳遞給車架車身，駕駛室座椅、地板和方向盤等產生明顯的垂向抖動，定義為shake。

傳遞路徑

方向盤抖動從激勵源車輪-路面和發動機輸入，方向盤反饋輸出，中間傳遞路徑較多，涵蓋了懸架/轉向/制動/動力傳動等多個系統零部件。當激勵頻率與其中某部件固有頻率發生耦合時，就會激勵共振，放大能量，加劇方向盤抖動。

關鍵系統研究

根據Nibble發生機理和傳遞路徑，結合以往項目案例和經驗總結，將擺振問題從車輪端激勵和車輛敏感性進行分解，列出分析圖，如圖1所示，主要從車輪、懸掛和轉向這三個系統來逐步研究。

靈敏度因子分析

Nibble DOE分析對關鍵系統和零部件設計有著重要的指導意義，例如賈小利等人通過DOE正交試驗優化系統襯套參數，有效地抑制擺振現象，取得良好的工程應用效果[1]。

當懸掛（轉向）硬點和結構設計凍結后，后期可調整的空間很小，或者調整代價非常大，所以需從前期設計上進行反復分析和驗證，提前規避問題。通過CAE仿真軟件Adams創建整車模型，分析出Nibble主要靈敏度因子，對影響較高因子進行組合推薦，給出Nibble優化建議，如圖2所示。

關鍵部件管控

1.輪胎設計

輪胎是激勵源頭，由于質量、內部剛度和幾何尺寸等不均勻性，使車輪高速旋轉時產生激勵力，通過懸掛和轉向系統傳遞反饋到方向盤上產生擺振，提高輪胎均勻性控制能有效減小Nibble的響應。劉程等對輪胎均勻性參數及影響因素做了比較詳細的闡述和驗證[2]。

（1）質量均勻性：動平衡 經評估，當動平衡殘余量接近30g時就容易出現Nibble，這時候就有必要對車輪進行重新動平衡，主機廠對動平衡殘余量的控制標準一般在8～15g，這里推薦≤10g。

另外，動平衡在左右車輪的相位分布也有較大關系，這里將動平衡也進一步分解為偶平衡和靜平衡，輪胎動平衡塊在左右位置相同時，稱為out of phase，而位置對稱時，稱為couple in phase，如圖3所示。經分析，out of phase時，方向盤擺振響應較大，較容易感知到Nibble，而in phase時，響應很小，不容易察覺到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產生徑向力波動，引發車輪垂向抖動。而切向力偏差TFV及一次諧波T1H使輪胎產生切向波動力，引發車輪縱向抖動。劉鳳陽等研究了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Nibble的影響也更大，但目前國內輪胎廠對TFV/T1H研究較少，無法量化控制。

因此，加強對RFV的管控，并進行了實車驗證，這里根據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。經驗證，B組Nibble表現明顯更好。

（3）尺寸均勻性：RRO和LRO 當車輛長時間靜置或車輪發生磕碰導致胎體失圓，或輪胎在制造過程中就出現了尺寸偏差等，也很容易引發Nibble，通常對輪胎徑向尺寸偏差（RRO）和側向尺寸偏差（LRO）進行控制，一般推薦＜1.2mm。

另外，輪輞與輪轂軸承的裝配也非常重要，若配合間隙過大，使輪輞和輪轂軸承不同心，從而導致Nibble進一步惡化。一般需對輪輞中心孔公差和輪轂軸承外徑公差進行管控，而配合間隙又不能過小，否則容易裝配干涉。目前國內已普及用錐形螺栓定位來替代中心孔定位，其同軸度更好。

2.懸掛設計

Nibble發生時，車輪繞主銷軸線持續回旋擺動，轉向梯形和主銷臂參數對擺振有力臂放大作用，通過大量實車仿真分析并經過測試驗證，加大轉向梯形臂長和減小主銷力臂能有效控制方向盤擺振現象。

（1）轉向梯形臂設計 對于齒輪齒條式轉向器，梯形縱臂長l一般推薦135～145mm，該值越大越有利于降低擺振的敏感性。但不能過大，否則將影響最大齒條力，最小轉彎直徑及轉向傳動比等。

（2）主銷參數設計 對于雙叉臂型懸掛，主銷W值一般推薦≤5mm，而輪心偏置距KPOS值推薦≤90mm時，該值越小越有利于降低擺振的敏感性。但不能過小，否則將影響轉向回正，彎道轉矩增益及高速直線轉向調控等。

（3）懸掛Kamp;C設計 懸掛Kamp;C特性對Nibble也有一定影響，車輪跳動時前束梯度（Bump steer）、外傾梯度（Bump camber）和回正力柔度（Aligning Torque compliance）適當設計小些，有利于降低Nibble激勵，根據CAE模型分析靜態前束（toe）和外傾（camber）對擺振影響小，而輪跳過程中負前束（toe）變化及正外傾（camber）變化有利于減小擺振激勵，較高的輪心縱向（退讓）剛度有利于減小方向盤擺振響應。

3.轉向設計

轉向器作為Nibble重要傳遞介質，轉向系統的設計非常重要。通過轉向系統來管控Nibble方法通常為：一是增加方向盤慣量，二是增加轉向系統阻尼，三是降低轉向扭轉剛度。

除上述，本文還研究了轉向助力特性調校對Nibble也有一定影響，即在不改變扭桿剛度（T-bar）下，通過改變閥芯表面幾何特性來改變轉向手感[4]。這里將轉閥刃口寬度由0.19mm減小到0.16mm，使中心區在壓力P0±0.5MPa附近助力變大，如圖5所示，車輪激勵轉向齒條橫向移動時受到更大的液壓阻力抵抗沖擊，使方向盤擺振減弱。經過實車驗證，轉閥刃口寬減小后，Nibble主觀提升0.25分。

4.模態控制

高速行駛時的方向盤擺振一般是由車輪總成與地面激勵而產生，而當車輪旋轉頻率與懸架固有頻率接近時，就會加劇擺振。而輪胎旋轉方向和簧下前后方向模態更容易發生耦合問題。

如圖6所示，在對Nibble問題車進行主客觀測試時發現，車速在115km/h時出現了擺振現象，振動加速度和速度響應最大峰值都是13.3Hz。

根據公式，車輪行駛頻率f=速度v/（2πr），當車速100～120km/h行駛時，車輪行駛頻率為11～14Hz（見表1），與Nibble發生頻率接近，也與表2中模態分析的懸架簧下反向垂跳模態（Tramp）與前后步行模態（Walk）頻率接近。

經過模態優化分析，通過對下擺臂襯套和輪胎剛度等調校可以改變步行模態（walk）。提高步行模態（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模態頻率盡可能相互避開1～2Hz。經最終調校，將Walk頻率提升至14.7Hz，Nibble改善明顯，主觀提升0.5分。

結語

本文基于CAE DOE分析和驗證，總結Nibble關鍵控制方法，在車輪系統上，通過加強輪胎均勻性控制，來減小激勵端輸入。在懸掛系統上，通過加大梯形縱臂長度，并減小主銷W值和KPOS值來降低Nibble敏感性。在轉向系統上，通過增加系統阻尼和減小扭轉剛度，并優化助力曲線來削弱Nibble傳遞。在模態控制上，通過提高walking模態，避免激勵共振。系列措施在新車型實施后，基本無抱怨。

另外，由于造型和市場需求的變化，對輪胎尺寸的追求越來越大，諸如此類，不利于Nibble管控。目前最有效的辦法是配置EPS轉向，并增加ANC（Active Nibble Compensation）高級功能。此外，國內還應用了一些新措施，比如在方向盤和管柱上增加扭轉吸振器[5]，在轉向梯形機構上增加減振器[6]等，有一定效果，但由于成本較高，未能普及。

參考文獻：

[1] 賈小利，張軍，閔福江，等.轎車高速行駛方向盤擺振控制與工程應用[J].噪聲與振動控制，2015，35（4）：228-232.

[2] 劉程，劉振國，張新峰，等.轎車輪胎均勻性影響因素試驗研究[J].橡膠工業，2019，66（1）：3-12.

[3] 劉鳳陽，陳良，劉振國，等.行駛速度對轎車輪胎均勻性的影響研究[J].中國汽車，2019（5）：59-62.

[4] 王霄鋒. 汽車底盤設計[Ｍ]. 2版.北京：清華大學出版社，2018.

[5] 姜駿，陳華杰，王雙.動力吸振器在方向盤抖動優化中的應用研究[J].上海汽車，2020（8）：22-27.

[6] 胡辰，盧劍偉.轉向減振器對車輛擺振系統動力學影響分析[J].機械設計與制造，2023（1）：69-73.