摘要：采用模態(tài)分析方法得到汽車制動引起轉向盤抖動的原因是前懸架系統(tǒng)模態(tài)；通過改變控制臂后襯套剛度可改變懸架系統(tǒng)模態(tài)。試驗結果表明：增加下擺臂后襯套剛度可改變懸架系統(tǒng)模態(tài)，有效縮短振動頻域，降低轉向盤抖動幅度。
制動引起的踏板、車體振動及轉向盤抖動發(fā)生的根源是機加工中制動盤厚度變化不均勻[1]，這類振動或抖動稱為冷抖動（Cold Judder）。制動盤圓周方向厚度不均勻會引起制動摩擦力矩周期性變化，導致轉向盤抖動，是機械結構中由激勵源、振動傳遞器和振動放大輸出等環(huán)節(jié)組成的機械振動系統(tǒng)。由于制造精度不足引起制動盤圓周方向厚度尺寸不一致，這在汽車界是一大難題；另外，用戶長期使用中頻繁制動產(chǎn)生的制動摩擦力矩及不同的制動強度等因素，也會引起制動盤局部磨損，從而加劇制動盤沿著圓周方向的厚度尺寸變化不均勻。以上原因導致制動過程中制動盤與摩擦片之間的制動摩擦力產(chǎn)生周期性變化[2]，周期性變化的制動力矩作為一種外部激勵傳遞給懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)及車身結構系統(tǒng)，當制動力矩的變化頻率與懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、輪端等結構模態(tài)頻率相同時，會發(fā)生共振。由于采用的懸架結構、輪端結構及轉向系統(tǒng)結構不同，駕駛員對制動引起的轉向盤振動主觀感受也會不同[3]。針對轉向盤抖動問題，國內學者通過抖動現(xiàn)象描述、試驗研究和定性分析進行研究。
在某SUV開發(fā)過程的路試階段，在75～95 km/h車速下制動時，車輛發(fā)生抖動，轉向盤抖動嚴重，制動踏板和車身地板輕微抖動。
1 制動抖動發(fā)生機理
制動抖動發(fā)生的主要原因是制動力矩波動導致地面制動縱向力波動[4]，引起前輪擺振，該振動通過轉向系統(tǒng)及懸架擺臂襯套分別傳遞給轉向盤及前副車架，再由副車架放大后傳遞給轉向盤、車身，引起轉向盤抖動、車身地板抖動。
根據(jù)以上分析及故障車型的具體結構，得出制動抖動的傳遞路徑，如圖1所示。
根據(jù)圖1并結合整車路試測試，分析該振動問題的傳遞途徑，分辨共振部件，計算共振頻率，結合整車結構布置，進行改進驗證。
2 共振源模態(tài)分析
2.1 激勵源頻率分析
若制動盤的圓周內厚度不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)1～2次，則汽車行駛時，隨著車輪旋轉1圈，會產(chǎn)生1～2次激勵[5]。輪胎每秒鐘轉動的圈數(shù)為
式中：v為故障車車速，km/h；R為輪胎滾動半徑，mm。當v為75～95 km/h，輪胎滾動半徑R為330 mm時，輪胎轉動圈數(shù)為10.0 ～12.7圈/s，計算得出制動盤與摩擦片產(chǎn)生的激勵頻率分別為10.0～12.7 Hz和20～26 Hz。若該故障車懸架、轉向及輪邊等部件固有頻率正好處于該范圍內，則會引起共振。
2.2 麥弗遜前懸架模態(tài)分析
該車前懸架采用麥弗遜懸架，模態(tài)分析結果見表1。
表1 前麥弗遜懸架系統(tǒng)模態(tài)分析 Hz
由表1可知，前懸架系統(tǒng)的縱向模態(tài)頻率為24.9 Hz，處于該車在75～95 km/h（對應車速為93 km/h）下的激勵頻率范圍20～26 Hz，會引起共振，導致車體、制動踏板及轉向盤抖動。
2.3 輪邊制動部件模態(tài)分析
帶轉向節(jié)的前輪制動部件包括前轉向節(jié)、制動卡鉗、制動盤及摩擦片。模態(tài)分析結果見表2。
表2中自由模態(tài)是結構自身的固有模態(tài)，工作模態(tài)是用于工程時施加邊界約束后的實際結構模態(tài)。帶轉向節(jié)的前輪制動部件的模態(tài)頻率，不在75～95 km/h制動時的激勵頻率范圍內，避免了系統(tǒng)共振發(fā)生。
2.4 轉向系統(tǒng)模態(tài)分析
通過HyperWorks軟件對該車轉向系統(tǒng)的模態(tài)分析得到，前后方向振動頻率是51.9 Hz，左右方向振動頻率是68 Hz。轉向系統(tǒng)模態(tài)頻率均不在75～95 km/h制動時的激勵頻率范圍內，避免了系統(tǒng)共振發(fā)生。
3 整車道路試驗研究
為了測試制動力矩從輪邊到轉向盤的具體傳遞過程，在良好的瀝青路面上進行制動抖動再現(xiàn)試驗，實車不同部位安裝15個同步信號加速度傳感器（3個方向）。加速點測點布置見表3。
通過以上測點可以實時測試各個環(huán)節(jié)振動加速度幅值。
3.1 試驗改進方案
對前懸架系統(tǒng)模態(tài)進行研究，隨著控制臂后襯套剛度增加，前懸架模態(tài)隨之改變。橡膠襯套剛度與懸架固有模態(tài)之間的關系見表4。
表4 橡膠襯套剛度與懸架系統(tǒng)模態(tài)關系
增加控制臂后襯套剛度，可提升懸架系統(tǒng)模態(tài)頻率，可將模態(tài)頻率移出制動抖動車速下的激勵頻率范圍。結合式（1）計算的故障車激勵頻率，將控制臂后襯套徑向剛度相比原剛度增加200%作為最終的改進方案，見表5。
3.2 改進方案的主觀評價結果
對故障車分別進行原車狀態(tài)及改進方案試驗，制動引起轉向盤抖動的主觀評價見表6。
從表6評價結果可知，采用改進方案后，在50～70 km/h速度段，轉向盤抖動幅度比原車降低，改善明顯；在70～90 km/h速度段，制動抖動幅值變小，改善明顯。
3.3 改進方案的客觀評價結果
對原車及改進方案分別進行80 km/h速度下制動，并進行轉向盤抖動測試。測試部位如圖2所示，測試結果如圖3所示。
由圖3得到以下結論：（1）以80 km/h初速度制動時，原車轉向盤抖動幅值最大為0.64g，改進方案轉向盤抖動幅值最大為0.58g，降低近10%；（2）改進方案在50～72 km/h階段轉向盤抖動迅速下降，原車在50～70 km/h階段轉向盤抖動幅值呈現(xiàn)上升趨勢；因此，在50～70 km/h車速范圍內，改進方案轉向盤抖動較原車有明顯改善，同主觀評價結果一致。
4 結 論
(1) 制動引起轉向盤抖動的共振源是前懸架系統(tǒng)，通過改變控制臂后襯套剛度可改變懸架系統(tǒng)模態(tài)；
(2) 試驗結果表明：增加下擺臂后襯套剛度可改變懸架系統(tǒng)模態(tài)，有效縮短振動頻率，降低轉向盤抖動幅值。
作者：劉明，彭鋒，丁良奇，潘筱
北京汽車股份有限公司汽車研究院
來源：汽車NVH之家
參考資料：
中國上海國際健康產(chǎn)業(yè)博覽會-世博威健博會
CIHIE- 舉辦地區(qū)：
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上海
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- 舉辦地址：
- 上海市青浦區(qū)徐涇鎮(zhèn)崧澤大道333號
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- 25000㎡
- 觀眾數(shù)量：
- 40000人
- 所屬行業(yè)：
-
健康養(yǎng)生展會