某微型車方向盤抖動控制策略

趙紅飛 丁曉明 呂俊成

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

近年來方向盤的振動問題一直是國內外學者研究的熱門話題。文獻[1]通過研究輪胎的非均勻性、輪胎氣壓以及路面-輪胎的激勵力，找到了方向盤振動的主要影響因素；文獻[2-3]分析了制動扭矩波動和底盤振動傳速靈敏度對方向盤振動的影響，并進行了視頻和時域的驗證，為分析方向盤振動提供了很好的方法。文章針對某微型車在路試階段出現的方向盤抖動嚴重的問題，采用試驗分析、數據統計、模態測試并結合專家動態感知評審的方法，對該問題進行評價并提出問題解決途徑。

1 問題背景與相關測試

1.1 問題背景

某微型車在各造車試驗階段中均出現時速在80 km/h以上時，方向盤抖動較嚴重的現象，不僅影響汽車的安全駕駛，同時也會引起客戶的抱怨。而至今沒有一個評價方向盤振動的具體標準，只是通過人為的主觀評價來判斷。這就導致了問題在處理過程中無標準可依，在以后發生類似問題時也無法判斷其可靠性。圖1示出汽車轉向系統的構成示意圖。

1.2 相關測試

文章通過使用LMS Test.Lab系統對抖動汽車進行轉向系統及其子系統零件的動靜態測試，得到一系列數據反饋。由數據顯示可以看出，該車型的方向盤在抖動過程中最大的振動加速度達到0.95 g，由于振動加速度過大，造成人手在握方向盤時會有振手感覺。圖2示出該車型在車速為110 km/h時方向盤的Y向振動加速度曲線圖。

經過采取各種補救措施，組織相關專家進行動態感知評審，并進行多次相關測試得出：方向盤Y向振動加速度為0.17 g時為客戶可接受狀態；方向盤Y向振動加速度為0.21 g時，方向盤抖動情況較嚴重，客戶不能接受。

1.3 改進目標

經過對數據的分析研究及專家的動態感知評審，確定該問題的解決目標：

1）主觀評價車速在≤130 km/h時，方向盤再無抖動現象；

2）方向盤Y向振動加速度標準值的確定。

改進目標的確定分3步進行：

1）采取一系列短期措施，將所有抖動汽車分為“抖動可接受”與“抖動不可接受”2種狀態。

2）對這些汽車進行測試，選取該車型2種狀態下方向盤振動加速度最為接近的2個值，其中，可接受狀態的方向盤Y向振動加速度為0.17 g，不可接受狀態的方向盤Y向振動加速度為0.21 g。

3）通過比較分析，考慮其他不可控因素的影響，確定當車速≤130 km/h時，方向盤抖動可接受狀態為振動加速度＜0.15 g。

圖3示出方向盤Y向振動加速度曲線圖。

2 原因分析與確認

2.1 原因分析

經過測試以及專家的動態感知評審，得到車速在110 km/h附近時的方向盤抖動最為嚴重，根據計算，此時輪胎的轉動頻率約為17 Hz（其中含有車速表精確度的影響）。圖4和圖5分別示出方向盤與轉向節的Y向頻譜。根據圖4和圖5顯示，在17 Hz附近，方向盤和轉向節（轉向節為輪胎測試點）均達到最大振動加速度值，因此，可確定輪胎為方向盤振動的主要激勵源。

將激勵源輪胎在動平衡機上進行調試，發現抖動汽車均存在輪胎動平衡質量不合格，導致輪胎在實際轉動中出現振動或擺動。

對轉向系統（方向盤、轉向管柱、轉向器、轉向拉桿及轉向節）進行動態測試，得到傳遞函數結果，如圖6所示。從圖6可以看出：轉向器測試點在17.5 Hz時，與輪胎激勵形成共振，從而將振動放大；轉向中間軸下端（轉向器上端）測試點在17.5 Hz時，振動也有放大，但相比轉向器測試點放大幅度較小。

對方向盤進行模態測試，得到方向盤的1階模態為27.75 Hz，這與振動頻率不一致，因此不會存在共振問題。對轉向系統進行模態測試，得到結果如圖7所示，轉向系統1階模態為17.97 Hz，與方向盤實際抖動關鍵頻率吻合，又與輪胎激勵頻率相近。

2.2 原因確認

由以上分析可知，該車型方向盤抖動的主要原因是轉向器模態與輪胎高速轉動頻率發生耦合。具體分解到各個零件為：

1）輪胎作為激勵源，動平衡質量不合格，從而引起較大幅度的振動和擺動，是主要原因；

2）轉向器將輪胎激勵放大，是主要原因；

3）轉向中間軸振動有所放大，但相比轉向器放大幅度較小，是次要原因；

4）方向盤1階模態為27.75 Hz，與振動頻率無關，是次要原因；

5）轉向管柱和轉向拉桿振動頻率與激勵無共振，是次要原因。

3 關鍵改進措施與效果對比

3.1 關鍵改進措施

在嚴格控制其他因素的前提下，針對轉向系統中的關鍵傳遞路徑（轉向器）進行剛度提升。轉向器結構，如圖8所示。

轉向器的改進措施為：

1）導套長度由10 mm增加到16 mm，從而提高轉向器子系統的剛度。

2）齒輪齒條間隙調節：控制齒輪齒條間隙在0.08mm以下。轉向齒輪的回轉力矩在0.49～1.57N·m（空載狀態），力矩波動控制在0.49N·m以內，全行程中齒條最大啟動力不超過218N（空載狀態）。從而改進轉向器齒輪齒條的嚙合狀態，提高嚙合精度以及提高轉向器剛度。

3.2 效果對比

將更改后零件進行裝車后，主觀評價認為汽車方向盤抖動情況改善明顯，抖動情況可以接受。另經測試，方向盤的振動加速度已經降至0.12 g（＜0.15 g），完全滿足改進目標，如圖9所示。

4 結論

與多數方向盤抖動嚴重問題的解決方案（從輪胎動平衡（激勵）以及方向盤模態（響應）方面）不同，文章通過對該車型轉向系統的振動測試與數據分析，確定問題產生的主要原因為轉向系統的傳遞路徑放大了路面激勵。通過有針對性地更改傳遞路徑的有關參數，使方向盤抖動情況明顯改善，完全滿足改進目標，從而為以后此類問題的分析研究提供了可靠的依據和系統方法。