转向系统NVH研究综述

摘 要：转向系统的NVH性能是影响整车NVH性能的重要因素之一，研究转向系统的NVH具有重要的意义。本文综述了转向系统NVH方面的研究，介绍了制动引起的方向盘抖动现象及其机理，阐述了制动力矩波动、制动压力波动以及制动盘端面跳动等对方向盘抖动产生影响的因素；对电动助力转向器助力电机产生的振动和液压动力转向器的振动导致转向系统的振动进行了回顾，重点介绍了液压助力转向泵引起的振动和噪声问题，以及改善其NVH性能的方法和途径；同时回顾了转向轮摆振现象及其机理，以及转向轮摆振的多体系统动力学研究方法，着重阐述了将转向轮摆振系统看成一个多输入多输出的复杂非线性系统的研究方法，并对其它原因引起的方向盘振动进行了介绍。最后，对未来的研究工作提出了一些展望。

关键词：转向系统；制动抖动；转向泵；前轮摆振；噪声

中图分类号：U467.4文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.05.001

Review of Research on NVH of Vehicle Steering System

Chen Shuming1,2, Wang Dengfeng1, Su Lili1, Zan Jianming2

(1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University，Changchun，Jilin 130022，China；

2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing400039，China)

Abstract：NVH characteristics of steering system are important for improving vehicle NVH performance. In this paper, research on NVH performance of steering system was reviewed. Meanwhile, the phenomenon and mechanism of steering wheel brake judder were introduced. The influence of brake torque variation, brake pressure variation and disc side face run-out on brake judder were stated. The paper also reviewed the vibration of steering system caused by the vibration generated by the motor of electric power steering system and the pump of hydraulic power steering system. Especially, the problem of vibration and noise caused by hydraulic pump and the methods of improving NVH performance were introduced. Moreover, the phenomenon and mechanism of front wheel shimmy were introduced. The front wheel shimmy was studied by using the method of multi-body system dynamics which considers a multi-input, multi-output and complicated nonlinear system. The vibration of steering wheel caused by other aspects was introduced as well. Finally, some suggestions are given for the future research.

Keywords：steering system；brake judder；steering pump；front wheel shimmy；noise

转向系统的振动、噪声、声振粗糙度统称为转向系统NVH（Noise，Vibration and Harshness）问题，它可以被驾驶员直接感知，是影响整车NVH水平的重要组成部分。

转向系统中的NVH表现形式主要有以下几种：一是汽车在特定行驶工况下或发动机怠速时激起方向盘抖动，以及由于制动管路压力波动、制动器摩擦副受热蠕变和接触不均产生的制动力矩波动引起转向系统的振动；二是电动助力转向器助力电机产生的振动和液压动力转向器的振动导致转向系统的振动；三是汽车以一定的车速行驶时引起转向轮摆振。汽车转向系统设计匹配不合理会引起汽车行驶时方向盘抖振以及车身共振，此外还会导致转向轮摆振问题发生，在特定的制动工况下还会产生转向系抖动。减小转向系统振动和噪声的有效方法是降低外部对转向系统的激振力，尽可能地使转向系统的固有振动频率避开外部的激励频率。

因此，研究底盘部件的NVH性能，进行转向系统的低振动噪声设计和优化，对于提高国产轿车的自开发与科技创新能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 制动引起的方向盘抖动

1.1 制动抖动现象及其机理

制动引起的振动根据发生机理将其分为3类：低频抖动（Brake Judder）、中频颤动（Brake Moan）、高频啸叫（Brake Squeal）[1-3]。

制动抖动是指在一定车速范围内实施制动时引起转向盘、制动踏板、车身底板和座椅剧烈抖动的现象。低频抖动的频率一般在100 Hz以下，通常为10～50 Hz，且抖动频率与车速呈一定的阶次关系。制动抖动按照现象可以分为冷抖动、热抖动和抖动噪声。

制动抖动是制动引发的一种强迫振动，其主要原因在于制动力矩波动（Brake Torque Variation，BTV）和制动压力波动（Brake Pressure Variation，BPV）[4]。而产生这两种原因的因素主要包括：（1）结构因素。制动盘薄厚差（Disk Thickness Variation，DTV）、制动盘端面跳动（Side Face Run-Out，SRO）、表面波纹度（Waveness）、热屈曲（Thermal Buckling）、摩擦系数和阻尼系数。（2）“路面—车—驾驶员”系统因素。路面状况、车辆子系统—悬架系统、转向系统和轮胎、驾驶员。

1.2 国外制动抖动的研究现状

Duan等人[5]首次采用特征值分析方法确定了抖动由制动源到转向盘的传递机理，并采用源—路径—接受者形式的简化模型对由制动盘厚度变化引起的制动抖动问题的分析方程进行了描述。通常情况下，降低抖动的方法主要有两种，一种是通过修改制动盘形状以及摩擦片的材料成分，另一种是通过改变悬架系统的模态特性。Huang等人[6]采用第2种方法对制动抖动现象进行了计算机模拟和实车试验，并对抖动灵敏度进行了分析。Ralf Meyer等人[7]针对冷制动在滚筒式测功试验台上对汽车的传动机构及产生的振动的激励进行了优化计算，应用时分同步数据分析技术，对摩擦片变形引起的汽车部件振动进行了讨论，并考虑了冷制动下的多变量影响因素。同时指出在冷抖动操作工况下，应用多目标测量方法、热量图示测量法和电容位移法，可以对制动过程中由制动盘变形引起的热理论响应进行分析；应用时间同步分析方法，可以确定在汽车系统中的摩擦片变形，制动力振动与部件共振动的关系。Yu Jinghong等人[8]通过试验设计过程与仿真分析，分析了制动抖动与转向系摆振对车辆底盘传动机构的影响。Gurdeep Singh Pahwa[9]指出方向盘振动有垂直、侧向线性振动和扭转振动两种基本类型。针对扭转振动，建立了整车多体动力学模型，并采用试验设计方法对参数灵敏度进行了研究。Wu Xuting等人[10]同样对汽车高速行驶时的方向盘扭振进行了分析，并指出改善方向盘扭振的各个参数。Hyo Sig Kim等人[11-12]采用设计（Design for Six Sigma，DFSS）方法对商用车制动抖动进行了稳健设计，能对制动抖动进行较好的改善，并与传统确定性优化设计方法进行了对比。DFSS方法虽然增加了产品生产成本，但是由于维修概率大大降低，所以从总体上来看，还是比较经济的。Djamil Boulahbal等人[13]研究了悬架、轮胎、制动系统对振动的影响，分析了轮胎、制动系统产生振动的原因，不同参数灵敏度对振动的影响，并通过对悬架部件的修改，进而改善轮胎、制动产生的激励振动。Amandeep Singh等人[14]建立了整车多刚体动力学模型，研究了悬架参数设计灵敏度对一阶制动抖动的影响，并指出抑制制动抖动不仅可以通过减小制动盘厚度变化，还可以通过优化设计悬架的灵敏度来实现。制动抖动传递路径分析如图1所示。

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