怠速開空調方向盤異常抖動問題分析與優化

雷超宏，顏伏伍，李小榮，魏潘，郭福通

（400039 重慶市 東風小康汽車有限公司汽車技術中心）

0 引言

方向盤是駕控車輛的重要零部件，也是與駕駛員的肢體發生直接接觸的部件，方向盤的工作狀態極易被駕駛員感知，尤其是當方向盤振動過大或出現異常抖動時容易引起駕駛員手部不適，甚至是情緒上的抱怨和不滿。針對方向盤振動問題，文獻[1]分別從激勵源、傳遞路徑和響應點三方面提出降低發動機怠速轉速、改變驅動軸萬向節節型和優化轉向柱結構的方法，有效控制了方向盤怠速振動；文獻[2]中通過調整方向盤和排氣系統的模態，明顯地改善了方向盤的抖動問題；文獻[3]通過優化轉向管柱與儀表臺連接處結構以及對方向盤進行輕量化設計，消除了方向盤共振，降低了方向盤振動；文獻[4]中通過優化冷卻風扇減振墊的隔振性能，實現了怠速方向盤減振；文獻[5]通過控制冷卻風扇的動不平衡量，消除了方向盤和車身的“拍振”。

某MPV 車型在NVH 開發過程中，發現樣車在怠速開空調工況下，方向盤存在異常抖動現象，具體表現為方向盤振動大且有“麻手”的感覺。通過對問題進行識別和原因分析，本文提出重新匹配風扇轉速消除共振，控制風扇動不平衡量減小激勵源振動，以及優化散熱器安裝支架提升振動傳遞路徑隔振性能的三項措施，有效降低了方向盤的振動，消除了方向盤異常抖動。

1 怠速工況方向盤振動測試

針對樣車方向盤存在的上述問題，利用LMS Test.Lab測試系統對方向盤進行振動加速度測試。

當車輛處于怠速開空調工況時，車上的主要激勵源有發動機、空調壓縮機和冷卻風扇，這些激勵源產生的振動都會通過車身結構傳遞至方向盤引起振動，因此需要在三種工況下對方向盤進行振動測試：一是僅發動機怠速工作；二是發動機和空調壓縮機二者同時工作；三是怠速開空調工況，即發動機、空調壓縮機和冷卻風扇三者同時工作。圖1 為3 種工況下所測得的方向盤振動加速度頻譜圖。

從圖1 可以看出，工況1 和工況2 中方向盤在X，Y，Z 三個方向的振動都只有一個明顯的峰值，其頻率分別為25 Hz 和27.3 Hz；而工況3中方向盤的振動出現2 個明顯的峰值，峰值頻率分別為28.5 Hz 和31 Hz。經分析，工況1 和工況2 中方向盤的振動峰值頻率以及工況3 中的第一個振動峰值頻率正好對應于發動機二階激勵頻率。由此可知，這些振動峰值是由發動機振動引起的，而工況3 中方向盤第2 個振動峰值頻率與發動機激勵頻率不一致，因而不是由發動機振動引起的，屬于其他激勵引起的異常振動。相比較于前兩種工況，工況3 介入了冷卻風扇這一激勵源，因而初步推斷工況3 中的第2 個振動峰值是由冷卻風扇引起的異常振動。

圖1 方向盤振動加速度頻譜Fig.1 Vibration acceleration spectrum of steering wheel

此外，針對怠速開空調工況，測得該工況下方向盤在X，Y，Z 三個方向的振動大小分別為0.08，0.04，0.05 g，振動總值為0.102 g，方向盤振動較大。

2 原因分析

2.1 方向盤模態分析

首先對方向盤進行模態測試。在方向盤上布置3 個振動加速度傳感器，如圖2 所示，并采用錘擊法對樣車方向盤進行測試，測得方向盤的第1 階固有模態頻率為31.1 Hz，且其振型為垂向。

圖2 方向盤模態測試Fig.2 Steering wheel modal test

2.2 冷卻風扇振動分析

在怠速開空調工況下對冷卻風扇本體進行振動測試，測試結果如圖3 所示。圖3 表明，冷卻風扇的主要激勵頻率約為31.8 Hz（由于冷卻風扇運轉時存在±50 r/min 轉速波動，因而該頻率值與圖1 中的30.96 Hz 略有不同），在X，Y，Z三個方向的振動大小分別為0.25，0.12，0.27 g，振動總值為0.387 g。

圖3 冷卻風扇振動加速度Fig.3 Vibration acceleration of fan

2.3 振動傳遞路徑分析

在汽車上，對于能夠產生振動的激勵源，在其振動傳遞路徑上通常都會設計隔振系統，以減小激勵源產生的振動向車身傳遞。就隔振系統而言，其隔振性能與其剛度有直接關系，隔振系統的剛度值越小，傳遞到車身上的振動越小[6]，隔振性能越好。通常，隔振系統的剛度K 是由主動端結構剛度KM、彈性元件剛度KI和被動端結構剛度KS三部分決定的，其剛度表達式為

當彈性元件的剛度一定時，只有增加主、被動端結構的剛度才能使得隔振系統的剛度變小，且當主、被動端結構的剛度足夠大時，隔振系統的剛度接近于彈性元件的剛度，此時隔振系統隔振性能最佳。

冷卻風扇振動傳遞路徑上的隔振系統是散熱器安裝點，由散熱器、橡膠襯套和散熱器安裝支架3 部分組成，如圖4 所示。從圖中可以看出，散熱器安裝點的被動端結構為散熱器安裝支架，該支架懸支較長且采用一顆螺栓連接的方式安裝于車身橫梁上，存在剛度不足的風險。通過仿真計算得到該安裝支架在0～100 Hz 頻率范圍內的等效動剛度值為：KX=27.1 N/mm，KY=45.9 N/mm，KZ=10.5 N/mm，表明該支架在X，Y，Z 三個方向的動剛度值均較低，不利于隔振。

圖4 散熱器安裝點結構Fig.4 Structure of radiator mounting point

綜上可知，怠速開空調工況方向盤異常抖動的原因如下：（1）冷卻風扇的激勵頻率與方向盤的一階固有頻率十分接近，存在共振現象；（2）冷卻風扇自身的振動激勵較大，尤其是Y 向和Z向的振動較大，非常不利于方向盤振動控制；（3）散熱器安裝支架動剛度不足，導致散熱器安裝點的隔振不足，進而使得振動更容易向車身傳遞，引起方向盤振動。

3 優化及驗證

3.1 冷卻風扇避頻

針對結構共振問題，最常見、最有效的方法是避頻。對于冷卻風扇和方向盤存在共振問題，可基于模態分析和采用輕質高剛度材料提高轉向系統固有頻率[7]的方法實現避頻。但根據問題整改的難易程度，首先考慮改變冷卻風扇的激勵頻率，即改變冷卻風扇的工作轉速。由于冷卻風扇是汽車冷卻系統中的一個重要部件，其主要作用是保證發動機艙的散熱效果，因而，改變風扇轉速需基于發動機艙的散熱要求進行。如若降低冷卻風扇轉速可能引起散熱不足導致發動機艙過熱；而提高冷卻風扇轉速，雖然能滿足發動機艙的散熱要求，但有可能引起噪聲問題。因此，在改變冷卻風扇轉速時，需同時兼顧發動機艙的散熱要求和噪聲問題。此外，激勵頻率與結構頻率之間至少要差開3 Hz，才能達到良好的避頻效果，防止發生共振[8]。基于上述考慮，將風扇轉速由原來的約1 900 r/min 提高到2 100 r/min，即將風扇的激勵頻率提高至35 Hz，此時既能保證機艙的散熱和避免車內噪聲增大，又能實現風扇的振動激勵頻率與方向盤固有頻率避頻。

3.2 冷卻風扇減振

對于冷卻風扇，由于其自身不可避免地存在一個偏心質量，使得其在高速旋轉時會產生一個慣性離心力，該離心力是風扇所產生的主要激勵。根據文獻[9]可知，冷卻風扇在旋轉過程中產生的激勵力大小不僅與風扇的轉速有關，還與風扇的動不平衡量有關，當提高冷卻風扇轉速時，勢必造成風扇激勵力和自身振動進一步增大，進而引起方向盤振動增大，此時，可通過控制風扇的動不平衡量來抑制激勵力的增大，從而實現減振。

通過對樣車冷卻風扇單體進行動平衡測試，測得提高轉速后的風扇的動不平衡量為42.8 g·mm，明顯超過了25 g·mm 的設計要求，因此，需要控制風扇的動不平衡量。經試驗測試及分析計算，找出了風扇扇葉上2 個動平衡較差的位置，并在這兩個位置分別增加質量為0.15 g和0.21 g 的質量塊，使得風扇的動不平衡量由42.8 g·mm 降低到21.2 g·mm，滿足了設計要求。

為了查看冷卻風扇優化后的減振效果，對其進行振動測試。圖5 為冷卻風扇的振動測試結果。從圖中可以看出，冷卻風扇的主要激勵頻率約為35 Hz，風扇本體在X，Y，Z 三個方向的振動大小分別為0.18，0.10，0.17 g，較原狀態分別減小0.07，0.02，0.10 g，風扇本體的減振效果顯著。

圖5 優化后冷卻風扇振動測試結果Fig.5 Vibration acceleration of optimized fan

3.3 散熱器安裝點隔振優化

由于散熱器安裝支架的動剛度較低會影響散熱器安裝點的隔振性能，因此需對散熱器安裝支架進行結構優化。圖6 為散熱器安裝支架優化方案。即在該支架上增加一個小支架結構對原有支架進行加強，新增小支架的下端與原有支架焊接在一起，上端與上橫梁采用螺栓連接，優化后對散熱器安裝支架重新進行動剛度計算，得到0～100 Hz 頻率范圍內的等效動剛度值分別為KX=67.9 N/mm，KY=216.6 N/mm，KZ=55.4 N/mm，優化后的動剛度值較原狀態明顯提高。

圖6 散熱器安裝支架優化結構Fig.6 Optimized structure of radiator mounting bracket

為了評估散熱器安裝點在優化前后的隔振性能，運用仿真方法對方向盤進行振動頻響計算，同時為便于比較和更加清楚地看出優化前后的區別，對頻響計算結果曲線進行對數處理。圖7 為在散熱器上施加Z 向單位動載荷計算得到的方向盤在X，Y，Z 三個方向的振動加速度對數曲線。由圖可知，散熱器安裝支架優化后，方向盤的振動明顯減小，表明散熱器安裝點的隔振性能得到了提升。

圖7 方向盤振動加速度對數曲線Fig.7 Vibration acceleration logarithmic curves of steering wheel

3.4 實車驗證

將上述3 種優化措施運用于樣車上，并在怠速開空調工況下對方向盤進行振動測試和主觀駕評。圖8 為方向盤的振動測試結果。

圖8 優化后方向盤振動加速度Fig.8 Optimized vibration acceleration of steering wheel

從圖8 可知，方向盤在35 Hz 頻率下只出現一個較小的振動峰值，表明冷卻風扇和方向盤已經成功避頻，共振消失。優化后，方向盤在X，Y，Z 三個方向的振動大小分別為0.06，0.03，0.03 g，較原狀態分別減小0.02，0.01，0.02 g，振動總值減小0.029 g，方向盤的振動明顯減小。

最后，對樣車進行主觀駕評，發現方向盤“麻手”現象消失，且振動也明顯減小。

4 結論

針對某車型樣車在怠速開空調工況下方向盤存在異常抖動現象，通過問題識別和原因分析后，提出了提高冷卻風扇轉速消除方向盤共振、控制冷卻風扇的動不平衡量減小激勵源振動以及優化散熱器安裝支架提高散熱器安裝點的隔振性能三項優化措施，并進行了試驗驗證和主觀駕評，結果表明，方向盤的振動總值由0.102 g降低到0.073 g，方向盤振動明顯減小，異常抖動現象也消失了，有效地提高了車輛的駕乘舒適性。