某輕卡方向盤怠速抖動控制研究

王 紅

（廣州工程技術職業學院，廣東 廣州 510075）

某輕卡方向盤怠速抖動控制研究

王 紅

（廣州工程技術職業學院，廣東 廣州 510075）

文章針對某輕卡在怠速開空調工況下方向盤抖動問題展開研究，通過方向盤振動測試與轉向系統模態測試，分析并確定了方向盤抖動原因。利用有限元方法計算分析了主要零件參數對轉向系統第一階模態頻率的影響靈敏度，最終提出了優化設計方案。根據設計方案進行了樣件試制與裝車，并進行了試驗驗證，結果表明方向盤抖動問題顯著改善。

方向盤；怠速抖動；控制；靈敏度分析；結構優化

Abstract:This paper studies steering wheel’s shaking problem of a light truck at the idle AC on condition. Vibration tests and modal analysis of the steering system have done for determine the cause of steering wheel’s shaking. The modal sensitivities of the main part parameters on the first-order modal frequency of the steering system is calculated and analyzed using the finite element method. Finally, the optimal design scheme is put forward. The effectiveness and rationality of the improvements were verified through sample preparation, assembly and tests．

Keywords: Steering wheel; Shaking; Control; Modal sensitivity; Structural optimization

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-198-04

引言

影響輕卡駕駛舒適性的關鍵因素是駕駛室及相關零部件的異常振動，其中方向盤是駕駛員直接接觸的零件，其振動能量直接傳遞到駕駛員的手和胳膊等部位，影響駕駛員的健康和情緒[1][2]。怠速是汽車常用工況，因此，怠速方向盤抖動是必須控制的 NVH問題。振動控制一般有兩個方面：控制振源和控制振動響應端的響應特性。對于方向盤來說，振源來自于發動機、重要附件、傳動系統和路面等，一般控制難度較大。輕卡轉向系統結構普遍簡單，從改變轉向系統結構入手，是控制方向盤振動的有效而簡捷的方法。

本文所研究樣車為某國產品牌輕卡，其在怠速開啟空調狀態下方向盤抖動劇烈，手觸及時有發麻感覺，且有重影現象。本文針對方向盤異常抖動問題進行了試驗測試、診斷、仿真與分析。

1 試驗測試與診斷

1.1 方向盤振動測試

樣車怠速時發動機轉速為850r/min左右，開啟空調后轉速升高到940 r/min左右。樣車所裝備發動機為直列四缸柴油機，此類發動機活塞往復運動的二階慣性力是主要外力[3][4]，空調系統裝備10缸定排量壓縮機，活塞對向布置，其主要激勵力是活塞往復運動的一階慣性力，壓縮機與發動機曲軸速比是1.22，因此，壓縮機的主要激勵力相對于發動機階次是12.2 階[5]。

首先定義方向盤坐標系，定義盤面中心點為坐標原點，前方12點鐘方向為X軸（與方向盤面平行），Y軸與整車坐標系Y軸平行，指向左側，Z軸垂直于X、Y軸組成的平面。在方向盤坐標系原點處布置三向加速度傳感器，如圖1所示。測量怠速開空調工況方向盤振動頻譜圖，圖2所示為Y向測試結果，其它兩個方向與Y向相似。

圖1 方向盤處振動加速度傳感器布置

振動峰值頻率為31.3Hz，與發動機二階激勵頻率重合。根據空調壓縮機速比及缸數，計算壓縮機激勵主頻率為191Hz，圖2中，對應191Hz的峰值較小，因此可以說明，方向盤處振動主要來源于發動機二階激勵，而與壓縮機激勵關系不大。

圖2 怠速開空調工況方向盤振動加速度頻譜（938.7 r/min）

為進一步診斷振動原因，測量了定置發動機勻加轉速工況方向盤處的振動，其階次跟蹤如圖3所示。可見振動主階次為發動機二階，且在發動機轉速940 r/min附近出現峰值，與怠速開空調工況下數據相互對應。圖3中還可以看出，其它轉速下發動機二階激勵引起的振動相對較弱。因此，懷疑方向盤在該轉速下異常抖動的原因是發動機二階激勵引起轉向系統共振。

為此，需對轉向系統進行固有頻率測試與分析。

圖3 定置勻加轉速工況方向盤振動加速度階次跟蹤圖

1.2 轉向系統模態測試與分析

為反應真實情況，測量整車約束狀態轉向系統模態，試驗方法采用錘擊法[6][7]。在方向盤上布置 7個三向加速度傳感器，如圖4所示，在轉向柱管上布置5個三向加速度傳感器。力錘的激勵點選擇在轉向柱管靠近方向盤坐標原點位置，測得各個測點的頻率響應函數后，計算獲得轉向系統第一階模態頻率為31.6Hz，如圖5所示。

圖4 轉向系統模態測試傳感器布置

轉向系統第一階模態頻率與怠速開空調時發動機二階激勵頻率非常接近，由此判斷方向盤異常振動原因為發動機二階激勵引起轉向系統共振。

圖5 轉向系統第一階模態(31.6Hz)

2 方向盤抖動的控制方案

明確方向盤抖動的原因后，擬采取的控制方案是改變轉向系統第一階模態頻率，如果降低其模態頻率，容易發生怠速（關閉空調）共振，因此，應采取能夠提高其一階模態頻率的措施。

能夠影響轉向系統一階模態的零件包括方向盤、轉向柱管—車身連接支架、轉向柱管、轉向柱等，而且這些零件對一階模態影響的靈敏度不同，為了提出更有針對性的方案，需對上述零件參數的模態靈敏度進行分析和排序。

表1 模態靈敏度

首先建立了包括部分車身在內的轉向系統有限元模型[8]，如圖6所示。以轉向系統主要零件參數為設計變量，以總成質量增加不超過 5%為約束條件，以一階固有頻率最大為優化設計目標，采用 OptiStruct軟件進行參數優化設計，得到轉向系統一階模態頻率對各參數的模態靈敏度[9]，如表1所示。

根據表1所示的一階模態靈敏度排序，在有限元軟件中，重新設計并延長了連接支架長度，如圖7所示。對改進后的轉向系統重新進行了模態計算，結果表明，第一階模態頻率提高至40.9Hz。

圖6 轉向系統有限元模型

圖7 轉向系統與車身連接支架

圖8 轉向系統及儀表板支架總成有限元模態計算(40.9Hz)

根據優化設計及有限元計算結果，重新設計并試制了轉向柱管連接支架，如圖9所示。

圖9 轉向管柱連接支架強化

3 試驗驗證

首先進行了模態測試驗證，試驗方法和傳感器布置位置、數量與前文相同，模態測試結果如圖10和表2所示。延長連接支架后轉向系統第一階模態提高到41.3Hz，對應有限元計算結果誤差較小，改進后的轉向系統一階模態已經遠離發動機二階激勵頻率。

為最終確定改進效果，對方案進行了整車試驗驗證，驗證工況設定為怠速開空調，傳感器布置于方向盤坐標系原點不變，采集并對比分析了方向盤處三個方向振動加速度幅值，如圖11所示。可以看出，改進后方向盤三個方向的振動幅值均有所下降。

圖10 加強后轉向系統第一階模態(41.3Hz)

表2 轉向系統模態頻率對比

圖11 改進前后方向盤處振動加速度幅值對比

以《GB/T 14790.1-2009機械振動：人體暴露于手傳振動的測量與評價》規定的評價方法對方向盤振動進行評價與對比，方向盤振動總值如表3所示。可以看出，優化后怠速開空調工況下方向盤振動總值降低達71.7%，改進效果明顯。

表3 方向盤振動總值

4 結論

本文針對某輕卡在怠速開空調工況下方向盤抖動問題展開研究，首先測試并分析了方向盤振動加速度頻譜信號，排除了空調壓縮機的影響，初步確定了異常振動來源于發動機激勵；然后進行了轉向系統的模態測試，確認了方向盤抖動原因是發動機二階激勵引起轉向系統共振。建立了包含部分車身在內的轉向系統有限元模型，計算分析了各主要零件參數對轉向系統一階模態頻率影響的靈敏度。最終確定了改進方案，并進行了模態測試驗證和整車試驗驗證，結果表明轉向系統一階模態頻率明顯提高，方向盤抖動顯著改善。本文的研究成果和優化設計方法能夠為汽車相關零部件共振問題提供解決方法和工程參考。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M]．北京:北京理工大學出版社,2006．

[2] DEMMA A,CAWLEY P,LOWE M J S.Mode conversion of longitudinal and torsional guided modes due to pipe bends[C]]∥Review of Progress in Quantitative Nondestrictove Evaluation：Volume 20. AIP Publishing,2001.57（1）:172-179.

[3] 徐傳燕.發動機慣性參數和激勵力的振動識別方法研究[D].華南理工大學,2012．

[4] 高樂.發動機半主動懸置模糊控制策略及 AMESim 仿真研究[D].長安大學,2016.

[5] 孫啟甲.實車空調系統異響診斷技術研究[D].重慶大學,2012.

[6] S. L. Chiang. Using Experimental Modal Modeling Techniques to Investigate Steering Column Vibration and Idle Shake of a Passen-ger Car[C]// SAE paper, 850996.

[7] Ki-chang Kim, In-ho Choi, Chan-Mook Kim. A Study on the Advan-ced Technology Analysis Process of Steering System for Idle Perfor-mance[C]// SAE paper,2007-01-2339.

[8] 李亞南,張偉,曹東興,崔云濤.環形桁架結構模態試驗及有限元仿真分析[J]. 應用力學學報,2017.(34)1: 119-124.

[9] Hamiltion D. Frequency Domain Consideration in Vehicle Design for Optimal Structural Feel[C]// SAE Paper, 2000 -01-1344.

Steering wheel’s shaking control of a light truck

Wang Hong
( Guangzhou Institute of Technology, Guangdong Guangzhou 510075 )

U463.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-198-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.069

王紅，就職于廣州工程技術職業學院。