某輕型客車方向盤抖動(dòng)分析及優(yōu)化研究

萬小明 鄧?yán)?/p>

摘 要：某輕型客車存在怠速方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)車測試發(fā)現(xiàn)方向盤模態(tài)頻率較低，與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階激勵(lì)耦合，根據(jù)實(shí)際工程問題，建立合適的仿真分析模型，計(jì)算了方向盤固有模態(tài)特性，并與測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該建模方法和仿真模型的正確性;在此基礎(chǔ)上，提出方向盤頻率提升優(yōu)化方案，將該優(yōu)化方案實(shí)際裝車后，怠速方向盤抖動(dòng)改善明顯。本研究提供了一套有效的怠速方向盤抖動(dòng)優(yōu)化方法，并取得較好的工程實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：方向盤;抖動(dòng);仿真;測試

中圖分類號(hào)：U463.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-99-03

Abstract： In order to solve steering wheel shake while vehicle idling. Build a CAE model and calculate the modes of the steering wheel， correlate with the Test results， verify the correct of the CAE model. Base on the CAE model， optimize the steering wheel natural frequency. Then the steering wheel shake effect reduced on physical vehicle. Its provide a effective approach to solve the steering wheel shake.

Keywords： Steering wheel; Shake; Simulation; Test

CLC NO.： U463.4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-99-03

前言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展及人民生活水平的提高，消費(fèi)者在購買汽車時(shí)，越來越重視汽車NVH（噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度），因此，汽車廠商也在努力降低車內(nèi)的噪聲與振動(dòng)，提升汽車NVH性能。

方向盤是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，駕駛員長期直接接觸方向盤，其振動(dòng)能量直接傳遞到駕駛員的手和胳膊等部位，嚴(yán)重影響駕駛員的健康和情緒[1]。

汽車怠速是很常用的一種工況，如果方向盤振過大，會(huì)導(dǎo)致用戶產(chǎn)生不舒適的感覺，從而影響顧客體驗(yàn)，進(jìn)而影響用戶口碑及購買力，因此方向盤抖動(dòng)的控制極其重要，很多汽車廠商都致力于降低方向盤抖動(dòng)，提升客戶滿意度。

本文研究某輕型客車怠速方向盤抖動(dòng)問題，針對該問題進(jìn)行了實(shí)車測試，建立仿真模型并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化方案，并最終實(shí)車驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 方向盤怠速抖動(dòng)機(jī)理

方向盤的固有特性一般與整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有關(guān)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般包括方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、車身橫梁、轉(zhuǎn)向機(jī)及儀表系統(tǒng)。

汽車怠速時(shí)，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，只有發(fā)動(dòng)機(jī)在工作，故激勵(lì)源來自發(fā)動(dòng)機(jī)，引起方向盤抖動(dòng)的原因是怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)通過懸置、車身、懸架等傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進(jìn)而傳遞至方向盤，如果方向盤的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率耦合，則極易產(chǎn)生振動(dòng)放大現(xiàn)象，因此，避免發(fā)動(dòng)機(jī)的主要激勵(lì)頻率與方向盤的固有頻率耦合是控制汽車方向盤抖動(dòng)的關(guān)鍵。一般情況下，同一款發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速主要激勵(lì)頻率是固定的，而方向盤的固有頻率也可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的激勵(lì)主要為二階往復(fù)慣性力，該激勵(lì)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、缸數(shù)及沖程數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式為：

大部分四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速為700-1000rpm，對應(yīng)怠速激勵(lì)頻率為23-30HZ，為避免方向盤在怠速時(shí)發(fā)生頻率耦合而使振動(dòng)放大的現(xiàn)象，一般要求方向盤的固有頻率比發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)高5-8Hz。

該輕型客車怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750rpm左右。匹配直列四缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的二階慣性力是主要外力[2]。

2 某輕型客車怠速方向盤抖動(dòng)

2.1 方向盤抖動(dòng)問題分析

某輕型客車匹配柴油四缸四沖程發(fā)動(dòng)要， 怠速關(guān)空調(diào)時(shí)轉(zhuǎn)速為750rpm，主觀評(píng)估該車型怠速時(shí)方向盤抖動(dòng)較為明顯。通過客觀測試得到方向盤X＼Y＼Z方向的振動(dòng)加速度值。

初步懷疑方向盤固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)耦合導(dǎo)致振動(dòng)放大，因此采用錘擊法測試該車方向盤固有頻率：X：25.4Hz;Y：27 .4Hz。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以換算出該發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激勵(lì)頻率為25Hz（不開空調(diào)）、26.7 Hz（開空調(diào)）。

因此得出該車方向盤X＼Y方向的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率耦合，導(dǎo)致振動(dòng)偏大，初步優(yōu)化的目標(biāo)是將方向盤的固有頻率提升至30Hz以上優(yōu)化解決該抖動(dòng)問題。

2.2 方向盤仿真模型建立

根據(jù)有限元理論，建立方向盤仿真模型，該模型包括車身、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤、車身橫梁，為減小計(jì)算量，可考慮將一些不影響計(jì)算精度的零件簡化配重處理（如線束、電子鎖、皮革等），同時(shí)需保證仿真模型與實(shí)物一致，建立好的方向盤有限元模型如圖3所示：

分析得到的方向盤X向模態(tài)為24.56Hz，Y向模態(tài)為27.83 Hz，與測試結(jié)果較為接近。說明仿真模型的準(zhǔn)確性，可用于下一步的優(yōu)化分析。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合應(yīng)變能云圖，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)薄弱區(qū)域：1）橫梁與轉(zhuǎn)向管柱連接支架;2）轉(zhuǎn)向管柱本身;3）橫梁與車身前圍連接處;

2.3 方向盤抖動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合工程可行性，對以上薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的原則為：（1）保證大的結(jié)構(gòu)件不重開模具，盡量通過增加支架、或個(gè)別調(diào)整料厚、增加連接來進(jìn)行加強(qiáng);（2）在滿足要求的前提下，增加的成本最少。

2.4 CAE優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

對優(yōu)化后的方向盤重新進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得出方向盤的X向模態(tài)頻率為31.3Hz，Y向模態(tài)頻率為32.35Hz，仿真分析結(jié)果如圖所示。

3 方向盤實(shí)車測試

將CAE優(yōu)化方案制作樣件裝車驗(yàn)證，測試方向盤固有頻率為：

從實(shí)車測試結(jié)果來看，優(yōu)化后的方向盤模態(tài)頻率提升較明顯，與仿真結(jié)果一致，且模態(tài)頻率已提升了近7HZ，與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率分離6Hz以上，避免了耦合現(xiàn)象，同時(shí)客觀數(shù)據(jù)顯示方向盤振動(dòng)降為2.5mm/s以下，優(yōu)于競品車，主觀評(píng)估優(yōu)化明顯，可接受。

4 結(jié)束語

本文對某輕型客車方向盤怠速抖動(dòng)問題進(jìn)行原因分析，建立CAE仿真模型，基于對標(biāo)后的仿真模型，提出優(yōu)化方案，并實(shí)車驗(yàn)證優(yōu)化效果明顯，解決了怠速方向盤抖動(dòng)問題，為同類問題解決及同類零部件開發(fā)提供了借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2] 徐傳燕.發(fā)動(dòng)機(jī)慣性參數(shù)和激勵(lì)力的振動(dòng)識(shí)別方法研究[D].華南理工大學(xué)，2012.