主销阻尼轴承用于控制EQ2102越野汽车前轮摆振的实验研究

一线天

主销阻尼轴承用于控制EQ2102越野汽车前轮摆振的实验研究

摘要 对EQ2102越野汽车的前轮摆振影响因素进行了道路试验分析，研究了前轮失衡量对摆振的影响。采用阻尼轴承代替主销滚针轴承来增大转向系统阻尼并进行了对比试验，部分试验结果表明，在车速为74 km/h、左前轮失衡量为44.0 kg.cm，转向盘加速度均方根值为7.97m/s2的严重摆振工况下，采用阻尼轴承后使转向盘加速度均方根值降为1.73m/s2，左前轮横向摆动加速度均方根值也由原来的1.91m/s2 降为1.28m/s2 。得出了该车摆振主要为强迫振动且增加转向系统阻尼可以抑制摆振的结论，同时评估了阻尼轴承对汽车操纵稳定性的影响。
关键词：  越野汽车；  摆振；  阻尼轴承；  道路试验   
中图分类号：TH13    文献标识码：A
  The experimental studies of controlling front wheel shimmy
using damping bearing in principal pins on EQ2102 off-road vehicle
Han Tongqun  Zou Hanhua
(1. Hubei Automotive Industries Institute. Hubei Shiyan 442002 ;
2. DFM Ltd. Hubei Shiyan 442001)
Abstract：This paper made experimental studies and analysis of influence factors on front wheel shimmy on EQ2102 off-road vehicle and studied the influence of its front wheel imbalance. Compared test is made by using damping bearings to replace of needle bearings in principal pins in order to increasing the damping of steering system. A test result is that the average square root valve of acceleration of steering wheel decreased from 7.97m/s2 to 1.73m/s2, and the average square root valve of crosswise acceleration of left front wheel decreased from 1.91m/s2 to 1.28m/s2 after replacing needle bearings by damping bearings when the vehicle speed is 74 km/h and the imbalance valve of left front wheel is 44.0 kg.cm which serious shimmy occurs on original vehicle. The results also indicate that the shimmy is a forced vibration in this vehicle and increasing damping of the steering system can reduce shimmy. At the same time, it evaluated the influence on vehicle’ manipulating stability after installing damping bearings in principal pins.
Keywords: Off-road vehicle； Shimmy；Damping bearing； Road test.
1引言
在汽车前轮转向操纵机构的振动中，存在着前轮绕主销的角振动、前桥绕纵轴的角振动和前桥相对于车身的横向的左右振动，将这种复杂的综合振动称为汽车摆振[1,2]。汽车前轮摆振对汽车的操纵稳定性、舒适性、安全性、动力性以及机件疲劳寿命均产生巨大的负面影响。影响汽车摆振的因素很多，国内外学者进行了大量的研究，包括转向器系统刚度、转向梯形刚度、前轮定位参数、轮胎的侧向刚度和侧偏刚度、转向系统阻尼、悬架系统阻尼、前桥质量和转动惯量、车轮失衡量等等[3.4]。
本文采用实验分析法，对东风EQ2102非独立悬架越野汽车存在前轮摆振问题的原因进行了实验研究，明确了车轮失衡量引起汽车摆振，强调了提高车轮制造精度，同时研究了阻尼对汽车摆振的影响，提出增大转向系统阻尼来抑制前轮摆振的改进措施。通过试验验证了主销阻尼轴承抑制摆振的效果，
韩同群 (1967-)， 男， 湖北省十堰市人，湖北汽车工业学院汽车系，副教授，主要研究方向为汽车设计。
联系电话：0719-8207827；  手机：13085268139 , E-mail： htqhtq67@sina.com.
Han Tongqun (1967-) male, Shiyan city, Hubei province. Dept. of Automobile Engineering, Hubei Automotive Industries Institute.  Assistant professor, The majority research aspect is automobile design.
Tel:  0719-8207827;  Mobile phone:13085268139 ,  E-mail： htqhtq67@sina.com.
以及阻尼轴承的阻尼稳定性、可靠性、使用维修性等，评估了阻尼轴承对汽车操纵稳定性的影响。
2 EQ2102摆振特性分析
汽车前轮摆振本质上就是在外激励作用下汽车转向系乃至车桥、车架和车身所构成的整车系统存在的振动问题。根据振动理论，它是由质量、刚度与阻尼三元素构成的振动系统，具有一定的固有振动特性。前轮摆振有两种情况[5]：一种情况是由路面、车轮不平衡等周期性外激力作用而引起的系统振动，当激励频率与转向系固有频率接近时，引起共振，通常也称为强迫振动；另外一种情况，当车轮受到一偶然冲击，产生一个初始偏转，冲击消失后，车轮仍在回正力矩作用下，变成稳定持续振动，称为自激振动。
强迫振动是由周期性激励源引起，主要来自车轮材质分布不均匀、端面摆差、径向摆差以及轮胎特性沿周长的不均匀性等因素造成的车轮失衡。摆振周期与干扰周期一致，只在共振车速时发生明显摆振且车速变化范围较窄。
为了便于实验研究，须定性和定量描述汽车摆振。以车轮绕主销摆动和转向盘绕轴心摆动作为评价对象，将摆振程度设定为不摆振、轻微摆振、严重摆振三级。其定性描述为：通过驾驶员主观评价，汽车在行驶过程中，将驾驶员不易感觉的转向盘切向振动，称为前轮不摆振；能感觉到转向盘左右摆动，但驾驶员用手能够克服其作用力，称为轻微摆振；驾驶员手不能够克服，称为严重摆振。定量描述：转向盘切向振动加速度均方根值小于3.39 m/s2，为不摆振；加速度均方根值在3.39~5.0 m/s2之间，称为轻微摆振；大于5.0 m/s2，称为严重摆振。
2002投放的EQ2102越野汽车用户反映在50～70 km/h车速区间内，转向盘出现程度不同的摆振现象，严重时，还伴有驾驶室横向振动。为了进一步确认摆振问题，对用户反映的4辆样车在一般公路、沙土石路、高速公路等不同路面，以不同车速，不断改变外激力的方式反复实验，同时对用户出现的摆振车辆进行调研与试验，并对摆振样车在平直良好路面上进行了主观评价，测量了转向盘切向加速度，结果表明：EQ2102前轮摆振问题存在。表1为用户样车摆振试验结果及临时处理方法。
表.1  用户样车摆振试验结果及临时处理方法
Tab.1 Test results of shimmy and temporary method to deal with on consumer sample vehicles
底盘号    摆振车速（km/h）    摆振现象/摆振加速度（m/s2）    抑制摆振措施    处理后摆振现象/摆振加速度 （m/s2）
15004765    55～65    轻微/3.6    直拉杆螺塞调紧1/4圈    无/1.2
15007460    55～65    严重/5.6    前后轮胎对调，直拉杆螺塞调紧    无/1.3
15005052    55～65    严重/5.9    前后轮胎对调，直拉杆螺塞调紧，主销止推螺钉调紧    无/1.3
15005627    50～65    严重/5.3    更换轮胎。    无/1.2
注：摆振加速度为转向盘切向加速度均方根值。
从表1来分析，EQ2102越野汽车以及其改装车辆所表现的摆振与上述强迫振动振型特点一致，其摆振共振车速为50～70 km/h，是一种典型的强迫振动。
3 摆振原因分析
3.1前轮失衡量对摆振的影响[6]
由表1用户样车的临时处理措施可以看到，更换与调换轮胎可能减小了摆振的周期性激励源，即装失衡量小的车轮可能不摆振。因此随机抽取在生产4辆样车，将轮毂轴承预紧力、转向横直拉杆球头预紧力、主销止推螺钉预紧力均调整到技术要求范围内，首先固定某一车轮失衡量，在不同车速下测量转向盘切向加速度，然后以0.3 kg等步长逐次左前轮确定位置上增加周期性激振力（即失衡量），直至前轮摆振，增加测量左前轮底板平面上两点绕主销摆动的切向加速度值，来探讨前轮失衡量大小对前轮摆振响应。对右前轮，将其配重，使其失衡量最小，可近似认为不存在失衡。
图1为摆振频率响应曲线。表2为不同失衡量的测量结果。
3.2转向系统阻尼对汽车摆振影响
直拉杆螺塞调紧，实际上是通过增大转向系统阻尼，改变其固有频率，避免周期性激振力（即失衡量）在车速范围内引起共振，也暂时解决了问题。因此，须对这一因素进行判定。汽车转向－悬架系统阻尼除了设置专用阻尼器外，一般来自系统运动件之间摩擦副产生的阻尼，因此，在不改变系统产品结构前提下，以调整系统零部件装配力矩的方式来改变系统阻尼参数，探讨阻尼对摆振影响。                                 
确定在一定外激力下，系统阻尼对摆振的影响：将02#、03#两样车轮毂轴承预紧力、转向直拉杆球头预紧力、主销止推螺钉预紧力均调整到技术要求范围内，仅在左前轮上增加适当失衡量（失衡量尽可能大但转向盘不摆振），主销止推螺钉以1/4圈为步长，逐步松开，直到样车明显摆振为止。02#样车左前轮上预加失衡量17.08 kg.cm（基准），各测点加速度均方根值及摆振车速见表3。将其他预紧力进行同样调整也得到类似结果。
  表2  整车满载在不同失衡量下的测试结果（样车：04#  装载质量：10600 kg）
Tab.2 Test results of shimmy response to various front wheel imbalances on full load vehicle (sample vehicle: 04# , load: 10600 kg）
序号    失衡量（kg.cm）    车速（km/h）    主观评价    摆振频率（Hz）    测点加速度均方根值（m/s2）
                    转向盘1    转向盘2    左前轮前测点11    左前轮后测点12
1    13.02    70    不摆振    5.4    3.14    3.22    1.27    1.36
2    17.07    70    不摆振    5.4    3.39    3.31    1.33    1.53
3    21.12    70    轻微摆振    5.0    3.88    3.77    1.57    2.12
4    25.17    70    轻微摆振    5.0    4.98    4.88    2.36    2.86
5    29.22    70    明显摆振    5.2    6.26    6.53    2.64    3.34
表3  主销止推螺钉预紧力变化摆振测试结果（样车：02#  失衡量：17.08 kg.cm）
Tab.3 Test results of shimmy response to various tighten torque of stop bolt to principal pins
(sample vehicle: 02# ,  front wheel imbalance：17.08 kg.cm)
实验步骤    主销止推螺钉调整量    车速（km/h）    主观评价    摆振频率（Hz）    测点加速度均方根值（m/s2）
                    1    2    11    12
1    拧紧后松1/4圈    60    不摆振    4.8    1.74    1.38    1.45    1.55
2    拧紧后松1/2圈    60    不摆振    4.8    1.83    1.81    1.46    1.64
3    拧紧后松3/4圈    54    轻微摆振    4.4    2.48    2.26    2.26    2.35
4    拧紧后松1圈    60    明显摆振    4.6    5.58    5.16    3.48    3.27
4 改进措施
4.1改进措施分析
基于以上实验结果提出下列改进措施：
1）控制激振源，即减少车轮旋转质量失衡量，降低激振力。
2）增大转向系统阻尼。
制订合理的前轮失衡量产品工艺标准，在制造和装配中严格控制，以降低激振力。由实验结果得出（表2），前轮失衡量必须控制在18 kg.cm以内，但为了保证新车（含新车底盘改装车）和在用车辆均不摆振，必须对前轮失衡量控制标准加严，因此，前轮失衡量标准由原15 kg.cm修改为10 kg.cm。其中轮毂分配3 kg.cm的允许最大失衡量（原标准：15 kg.cm）。并控制车轮端面摆差。
4.2 改进设计
考虑到一些用户存在使用、维修、保养不当问题以及转向系统磨损问题，仍有可能使前轮失衡超出技术标准和系统阻尼下降，或者用户对整车、底盘进行适应性改装后，使整车结构参数发生变化，而出现摆振现象，因此，为了更可靠地保证汽车车在其生命周期内均不出现前轮摆振，考虑改进产品设计。
前轮旋转件产生的振动，首先反应在转向节主销上，然后通过转向节绕主销转动，再经转向节臂、转向直拉杆、转向垂臂、转向器、转向传动轴，传递到转向盘上。因此，从改善转向系统对前轮摆振的抑制效果上看，考虑在转向节主销上增加阻尼以抑制摆振。因此，采用了阻尼特性稳定的阻尼轴承代替主销滚针轴承来适当增大转向系统阻尼，更好地消除前轮摆振。阻尼轴承结构和安装位置如图2所示。
选用尼龙塑料和黄铜两种特殊阻尼材料制作的阻尼轴承进行对比。在专用阻尼轴承性能试验台上测试阻力矩特性，为了进一步考核其性能和耐久性，又进行了100万次耐久性台架实验和性能复试，实验结果见表4。结果表明，转动阻力矩随转动频率变化不明显，实验数据的对称性与重复性好，但不同材质阻尼轴承的转动阻力矩变化范围有差异，尼龙塑料环转动力矩在37～66 N.m之间，铜环转动力矩在95～158 N.m之间，由此表明：铜环和黑尼龙环阻尼轴承阻尼比白尼龙环大。但从100万次耐久性实验来看，白尼龙塑料环样品性能稳定，无损坏，因此，初步选择装用白尼龙环阻尼轴承。
为了进一步探讨阻尼轴承在总成和整车上的性能特点，将白尼龙阻尼轴承安装在两台前桥总成上，并与装配主销滚针轴承的前桥进行起动阻力对比实验，测试项目为轮毂总成绕主销转动阻力，结果见表5。可看出，无论顺时针还是逆时针转动，阻尼轴承阻力大于滚针轴承40％左右。
将安装阻尼轴承和滚针轴承的样车各一辆进行对比实验。实验将原车（未配失衡重）和配重车进行比较，其实验结果如表6。
从表6看出：在失衡量满足产品技术要求的前提下，装配滚针轴承和新结构阻尼轴承的样车均无摆振现象；当增加2 kg失衡块(相当于前轮失衡量44 kg.cm)时，阻尼轴承仍无摆振现象，滚针轴承摆振现象严重，转向盘切向摆振加速度达8.09 m/s2，而装阻尼轴承车辆转向盘切向摆振加速度只有1.55 m/s2。可见，阻尼轴承较滚针轴承能承受更大的前轮失衡量，故采用阻尼轴承能有效提高抑制摆振能力。

表4  不同材料阻尼轴承阻力矩特性测试结果
Tab.4 Test results of resistance characteristic of various material damping bearings
阻尼轴承种类   
样品编号    转动阻力矩 顺/逆（N.m）
        0.5 Hz    6 Hz
        100万次前    100万次后    100万次前    100万次后
黑尼龙环    1﹟    57.4/65.1    ——    49.7/58.8    ——
白尼龙环    2﹟    46.9/45.5    ——    49/44.8    ——
    3﹟    37.8/36.44    26.1/28.9    44.8/45.5    28/40.6
    4﹟    37.8/38.5    25.2/35.7    43.4/46.2    45.3/39.9
黄    铜    5﹟    110.7/102.2    损坏    114.7/111.2    损坏
    6﹟    119.7/109.2    损坏    157.5/118.3    损坏
    7﹟    112/95.2    89/75.2    90.3/96.6    80.9/76.6
表5  阻尼轴承与滚针轴承起动阻力对比
                Tab.5 Test results of start resistance between damping bearing and needle bearing
项目
轴承种类    起动阻力（N）
    顺时针    逆时针
阻尼轴承    200～150    250～150
滚针轴承    150～100    140～100
表6  装两种轴承的整车实验结果
Tab.6 Test results of shimmy installing different bearings on vehicles
工 况
轴承种类    左前轮失衡量（kg.cm）    车速（km/h）    摆振现象描述    测点加速度均方根值(m/s2)
                1    2    11    12
滚针轴承    3.96(原车)    74    无    1.91    2.02    1.79    0.91
    44.0    74    严重    7.97    8.09    1.91    0.86
阻尼轴承    3.96(原车)    74    无    1.55    1.58    1.6    0.82
    44.0    74    无    1.73    1.59    1.28    0.63
为了探讨换装阻尼轴承后它对整车主要性能尤其对汽车操纵稳定性中的转向轻便性和转向回正性影响。采取客观评价和主观评价对整车操纵稳定性进行测试和评价。
整车操纵稳定性客观评价采用GB6323.4－1994（回正性能试验方法）、GB6323.5－1994（轻便性试验方法）和QC/T480－1999（汽车操纵稳定性评价方法）。试验证明：改进后两辆实验样车在3.5吨和5吨载荷下，均具有良好的转向轻便性，得分为满分100分。其转向回正性项目得分为66～82，符合国家标准。
整车操纵稳定性主观评价[7]，组织7位专家对实验样车采用公司推荐的主观评价标准，在15000 km专项实验过程中，分别在2500 km、5000 km、9000 km、13000 km四个里程节点进行4次主观评价。一致认为转向轻便、转向回正性能良好，满足使用要求。因此，换装阻尼轴承对整车性能影响很小，完全满足使用要求。
4.3改进措施比较
汽车前轮摆振原因十分复杂，既涉及到车桥、车轮、转向系统、悬架系统、车身系统等车辆结构参数方面的优化选配，又涉及到零部件加工、装配、调整等制造问题，还与路况、维修、保养等使用有关。
通过调整转向系统动力学特性来降低系统对摆振激励的敏感程度。这种方法具有较大的实用范围，然而，由于系统的每一个零部件动力学特性参数对系统动力学特性都有影响，且影响程度各不相同。因此，应具体问题具体分析。
应用阻尼轴承具有结构简单、成本低和对原设计改动小的优点。还可以在转向系统中应用液力阻尼转向减振器（简称液阻减摆器），其阻尼性能持续稳定，受使用条件和环境的影响比较小，具有比阻尼轴承更良好的减摆效果和耐久性，但结构复杂，成本高，对本车型还可能降低其通过性。
提高转向系统刚度，如考虑双联万向节，取消三销轴万向节；考虑加粗横、直拉杆，能够提高系统固有频率，降低前轮摆振。
选择不易发生摆振的轮胎，即提高其侧向刚度、降低其侧偏刚度，提高轮胎气压等等都是十分有效的措施[8]。
5 结论
前轮摆振问题在国产汽车上十分突出。本文结合EQ2102汽车采用实验分析方法对失衡量和阻尼参数影响汽车摆振进行了研究，特别是对主销阻尼轴承抑前轮摆振的效果和可行性进行了实验分析，取得了一定的研究成果，解决了EQ2102越野汽车前轮摆振问题。
参考文献
[1] 余志生等. 汽车理论（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2001. 34~36
[2] 田岛孝治，水口正昭著, 清华大学译.摆振运动的理论与防止措施[M].北京：清华大学出版社，1977.23~29
[3] 宋健，管迪华，钱珠声.独立悬架汽车摆振研究[J].汽车技术，1996，(1)：8~10
  Song jian, Guan dihua, Qian zhusheng. Study of Shimmy of Independent Suspension Car. Automobile Technology. 1996，(1)：8~10
[4] 田德培.前轮不平衡对汽车摆头的影响分析[J].汽车科技， 1998，(1)：12~14
  Tian depei. Analysis of Influence to Vehicle Shimmy of Front Wheel Imbalance. Automobile Science and Technology. 1998，(1)：12~14
[5] 赵  剑.独立悬架汽车摆振研究及NVH问题讨论[D]. 北京：清华大学硕士学位论文 2001.5:10~21，
[6] 邹汉华.EQ2102越野汽车前轮摆振阻尼控制的实验研究[D]. 北京：清华大学硕士学位论文 2005.11:16~63
[7] 郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社,1991. 78~93
[8] Hidco sakai. A Simple Theory of Dynamic Cornering Response of Tires. Japan Automobile Research Ins.Inc, Vol.5.1982，23~25










一、应专家具体修改意见进行的修改说明：
1）修改为“实际上是通过增大转向系统阻尼，改变其固有频率，避免周期性激振力（即失衡量）在车速范围内引起共振，也暂时解决了问题。”
2）加入“改进后”和“满分”的限定。
说明：按GB6323.5－1994（轻便性试验方法）进行实验，转向轻便性改进前后有一定差别，但均满足“满分”的要求。笔者认为：有些国家标准过宽，企业标准一般比国标要严格。改进后符合企业标准的情况下，当然也符合国标。下面附上转向轻便性和操纵稳定性评价结果，是以“计分“的形式表达。另外，本文主要研究“减摆”，该表是否可不在文中出现？
附表  转向轻便性和操纵稳定性评价结果
实验项目    评价指标    项目计分（分）
        装载3.5（t）    装载5（t）
        2500 km    15000 km    2500 km    15000 km
        033#    034#    033#    034#    033#    034#    033#    034#
转向轻便性实验    平均摩擦力    100    100    100    100    100    100    100    100
    最大作用力    100    100    100    100    100    100    100    100
转向回正实验    残留横摆角速度    70    82    66    76    65    66    66    73
    横摆角速度总方差                                
汽车操纵稳定性两项评价计分（分）    85    91    83    88    83    83    83    86
3）增加4.3一段对措施进行讨论。
说明：解决前轮摆振的诸多措施中，本文着重讨论“通过调整转向系统动力学特性来降低系统对摆振激励的敏感程度”。如果涉及方面过多，论述简单则不够深入；论述详细可能会使主题分散。另外，就在该讨论范围内，“液阻减摆器”也进行了实验研究。结构如下图所示，具有与阻尼轴承类似的实验数据，但如果列入文章，会造成主题分散和文章过长。











A-固定点 B-行驶方向 C-前桥D-中心线E-可调距离F-油池G-横拉杆H-铰头卡子J-50mm有限行程
K-手动调节范围 L-拉伸 M-压缩 N-阻尼力 P-总行程
二、对“修改通知”其他要求的修改说明：
（2）增加了第一作者的中、英文简介
（3）、（4）参照贵刊“摘要写作规范”重新撰写了中、英文摘要，字数、格式等尽量符合要求，不足之处，请批评指正。摘要写作要素填空填写了手写版和电子版。
（5）本文中图分类号：TH13  
（6）本课题为厂、校合作进行质量改进的项目，无编号。
（7）已按要求修改或添加了图、表的中、英文题目。
（8）补充、修改参考文献的著录格式，只有文献[3][4]是期刊，文献[4]只有中文题目，翻译是否可以？
（9）本文参考文献已相对固定，另外，满足该要求还须阅读相关文章，恐怕时间来不及。
（10）本课题没有获奖。
（11）已将软盘和原稿、修改稿各打印一份于4月9日用特快专递寄回贵刊社。