高速方向盘摆振使方向盘持续产生回转摆动，影响转向操纵性，严重时使车身产生明显晃动现象。随着高速公路驾驶工况增多，Nibble关注度越来越高。设计上规避Nibble成为新车型开发的重点，也是难点，其涉及到轮胎、悬挂、转向等多个系统耦合，难解耦，若前期设计不当，底盘数据冻结后，Nibble问题可能会更加难解决。

方向盘抖动主要发生车速在100～120km/h，车轮等旋转件在旋转时，因质量、力、尺寸等的不均匀，产生力波动，一部分通过转向系统传递给方向盘，产生明显的方向盘摆振，定义为Nibble。另一部分通过悬架传递给车架车身，驾驶室座椅、地板和方向盘等产生明显的垂向抖动，定义为shake。

传递路径

方向盘抖动从激励源车轮-路面和发动机输入，方向盘反馈输出，中间传递路径较多，涵盖了悬架/转向/制动/动力传动等多个系统零部件。当激励频率与其中某部件固有频率发生耦合时，就会激励共振，放大能量，加剧方向盘抖动。

关键系统研究

根据Nibble发生机理和传递路径，结合以往项目案例和经验总结，将摆振问题从车轮端激励和车辆敏感性进行分解，列出分析图，如图1所示，主要从车轮、悬挂和转向这三个系统来逐步研究。

灵敏度因子分析

Nibble DOE分析对关键系统和零部件设计有着重要的指导意义，例如贾小利等人通过DOE正交试验优化系统衬套参数，有效地抑制摆振现象，取得良好的工程应用效果^[1]。

当悬挂（转向）硬点和结构设计冻结后，后期可调整的空间很小，或者调整代价非常大，所以需从前期设计上进行反复分析和验证，提前规避问题。通过CAE仿真软件Adams创建整车模型，分析出Nibble主要灵敏度因子，对影响较高因子进行组合推荐，给出Nibble优化建议，如图2所示。

1.轮胎设计

轮胎是激励源头，由于质量、内部刚度和几何尺寸等不均匀性，使车轮高速旋转时产生激励力，通过悬挂和转向系统传递反馈到方向盘上产生摆振，提高轮胎均匀性控制能有效减小Nibble的响应。刘程等对轮胎均匀性参数及影响因素做了比较详细的阐述和验证^[2]。

1. 质量均匀性：动平衡　经评估，当动平衡残余量接近30g时就容易出现Nibble，这时候就有必要对车轮进行重新动平衡，主机厂对动平衡残余量的控制标准一般在8～15g，这里推荐≤10g。

   另外，动平衡在左右车轮的相位分布也有较大关系，这里将动平衡也进一步分解为偶平衡和静平衡，轮胎动平衡块在左右位置相同时，称为out of phase，而位置对称时，称为couple in phase，如图3所示。经分析，out of phase时，方向盘摆振响应较大，较容易感知到Nibble，而in phase时，响应很小，不容易察觉到Nibble。

   
   

2. 力均匀性：RFV和TFV　车辆行驶中，轮胎径向力偏差RFV及一次谐波R1H产生径向力波动，引发车轮垂向抖动。而切向力偏差TFV及一次谐波T1H使轮胎产生切向波动力，引发车轮纵向抖动。刘凤阳等研究了RFV随车速增加变化不明显，而TFV随车速增加而显著增加^[3]，如图4所示。因此，车辆在高速行驶下，TFV对Nibble的影响也更大，但目前国内轮胎厂对TFV/T1H研究较少，无法量化控制。

   
   

   因此，加强对RFV的管控，并进行了实车验证，这里根据RFV值挑选一批轮胎，将其分为A、B两组。其中：A组RFV＞120N，B组RFV＜100N。经验证，B组Nibble表现明显更好。

3. 尺寸均匀性：RRO和LRO　当车辆长时间静置或车轮发生磕碰导致胎体失圆，或轮胎在制造过程中就出现了尺寸偏差等，也很容易引发Nibble，通常对轮胎径向尺寸偏差（RRO）和侧向尺寸偏差（LRO）进行控制，一般推荐＜1.2mm。

   另外，轮辋与轮毂轴承的装配也非常重要，若配合间隙过大，使轮辋和轮毂轴承不同心，从而导致Nibble进一步恶化。一般需对轮辋中心孔公差和轮毂轴承外径公差进行管控，而配合间隙又不能过小，否则容易装配干涉。目前国内已普及用锥形螺栓定位来替代中心孔定位，其同轴度更好。

1. 转向梯形臂设计　对于齿轮齿条式转向器，梯形纵臂长l一般推荐135～145mm，该值越大越有利于降低摆振的敏感性。但不能过大，否则将影响最大齿条力，最小转弯直径及转向传动比等。

2. 主销参数设计　对于双叉臂型悬挂，主销W值一般推荐≤5mm，而轮心偏置距KPOS值推荐≤90mm时，该值越小越有利于降低摆振的敏感性。但不能过小，否则将影响转向回正，弯道转矩增益及高速直线转向调控等。

3. 悬挂K&C设计　悬挂K&C特性对Nibble也有一定影响，车轮跳动时前束梯度（Bump steer）、外倾梯度（Bump camber）和回正力柔度（Aligning Torque compliance）适当设计小些，有利于降低Nibble激励，根据CAE模型分析静态前束（toe）和外倾（camber）对摆振影响小，而轮跳过程中负前束（toe）变化及正外倾（camber）变化有利于减小摆振激励，较高的轮心纵向（退让）刚度有利于减小方向盘摆振响应。

3.转向设计

转向器作为Nibble重要传递介质，转向系统的设计非常重要。通过转向系统来管控Nibble方法通常为：一是增加方向盘惯量，二是增加转向系统阻尼，三是降低转向扭转刚度。

除上述，本文还研究了转向助力特性调校对Nibble也有一定影响，即在不改变扭杆刚度（T-bar）下，通过改变阀芯表面几何特性来改变转向手感^[4]。这里将转阀刃口宽度由0.19mm减小到0.16mm，使中心区在压力P0±0.5MPa附近助力变大，如图5所示，车轮激励转向齿条横向移动时受到更大的液压阻力抵抗冲击，使方向盘摆振减弱。经过实车验证，转阀刃口宽减小后，Nibble主观提升0.25分。

4.模态控制

高速行驶时的方向盘摆振一般是由车轮总成与地面激励而产生，而当车轮旋转频率与悬架固有频率接近时，就会加剧摆振。而轮胎旋转方向和簧下前后方向模态更容易发生耦合问题。

如图6所示，在对Nibble问题车进行主客观测试时发现，车速在115km/h时出现了摆振现象，振动加速度和速度响应最大峰值都是13.3Hz。

根据公式，车轮行驶频率f=速度v/（2πr），当车速100～120km/h行驶时，车轮行驶频率为11～14Hz（见表1），与Nibble发生频率接近，也与表2中模态分析的悬架簧下反向垂跳模态（Tramp）与前后步行模态（Walk）频率接近。

经过模态优化分析，通过对下摆臂衬套和轮胎刚度等调校可以改变步行模态（walk）。提高步行模态（walk）频率，一方面有利于将摆振车速提高到120km以上，另一方面使hop、tramp和walk模态频率尽可能相互避开1~2Hz。经最终调校，将Walk频率提升至14.7Hz，Nibble改善明显，主观提升0.5分。

结语

本文基于CAE DOE分析和验证，总结Nibble关键控制方法，在车轮系统上，通过加强轮胎均匀性控制，来减小激励端输入。在悬挂系统上，通过加大梯形纵臂长度，并减小主销W值和KPOS值来降低Nibble敏感性。在转向系统上，通过增加系统阻尼和减小扭转刚度，并优化助力曲线来削弱Nibble传递。在模态控制上，通过提高walking模态，避免激励共振。系列措施在新车型实施后，基本无抱怨。

另外，由于造型和市场需求的变化，对轮胎尺寸的追求越来越大，诸如此类，不利于Nibble管控。目前最有效的办法是配置EPS转向，并增加ANC（Active Nibble Compensation）高级功能。此外，国内还应用了一些新措施，比如在方向盘和管柱上增加扭转吸振器^[5]，在转向梯形机构上增加减振器^[6]等，有一定效果，但由于成本较高，未能普及。

作者：刘亮，钟秤平，刘伟，杨新星

本文已在《汽车工艺师》杂志  

2024 年 第9期 “汽车技术” 栏目    P61-P64发表。 

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