某型號商用車轉向盤振動問題改進研究*

楊年炯, 楊藝豪, 徐前亮

(1.廣西科技大學 機械與汽車工程學院, 廣西 柳州 545006;2.東風柳州汽車有限公司, 廣西 柳州 545005)

汽車平順性是保持汽車在行駛過程中乘員所處振動環境具有一定舒適度和保持貨物完好的性能[1]。目前,越來越多的用戶及廠家關注商用車駕駛室的乘坐舒適性。轉向盤的振動是用戶可直接感知且感知最多、最明顯的振動,降低汽車轉向盤振動是保證汽車平順性的重要手段。由于轉向系統與車身相連,傳遞到車身上的振動均有可能傳遞到轉向盤上,從而引起轉向盤異常振動。部分學者對此開展了研究,如劉明等采用模態分析法分析汽車制動引起轉向盤抖動的原因,通過改變控制臂襯套剛度、懸架系統振動模態,有效縮短了振動頻域,降低了轉向盤抖動幅度[2];何水龍等建立發動機懸置優化模型,基于多目標融合粒子群優化方法得到了最優懸置系統參數,優化改進后發動機隔振率在整個轉速范圍內都明顯提高,解決了轉向盤怠速抖動嚴重的問題[3];郭一鳴等采用基于魯棒性的設計方法開發動力吸振器,并采用基于6sigma的多目標穩健性優化方法對動力吸振器的參數進行優化,有效降低了轉向盤的振動[4];劉鵬等通過CAE仿真和結構優化對動力總成懸置襯套進行調整,將轉向盤振動降低到可接受范圍[5];趙濤等通過CAE仿真和ODS (Operational Deflection Shapes) 試驗分析轉向盤的振動幅值、頻率、傳遞路徑及影響因素的貢獻度,并據此制定改進措施解決某車型轉向盤擺振問題[6]。這些研究可為解決汽車轉向盤異常抖動問題提供有益參考。本文針對某型號商用車怠速工況下轉向盤振動過大的問題,對轉向系統的振動進行傳遞路徑分析,通過CAE分析及試驗,查找造成轉向盤振動過大的主要原因,探討改進措施降低轉向盤怠速振動加速度,解決轉向盤怠速抖動問題。

1 轉向盤怠速抖動分析

1.1 問題描述

根據調查數據,某型號商用車的怠速抖動故障率為32點/(100 臺),即每100臺車中有32臺存在怠速抖動現象。進一步對怠速抖動的故障表現形式進行統計,在存在怠速抖動問題的該型商用車中抽樣100臺,跟蹤怠速抖動的故障部位,結果顯示:100臺車中,81臺存在轉向盤抖動故障,10臺存在擋泥板抖動故障,5臺存在后視鏡抖動故障,4臺存在座椅抖動故障。該型商用車怠速抖動主要表現為怠速時轉向盤抖動。

在現場測試過程中,怠速工況下轉向盤產生明顯抖動,雙手扶轉向盤有明顯的振動感覺,駕乘舒適性較差,嚴重影響用戶的駕乘體驗。

1.2 傳遞路徑分析

復雜系統受到多種振動和噪聲源的激勵,各種激勵通過不同路徑經衰減后傳遞到多個響應點。為有效降低振動和噪聲,有必要分析和預測振動傳遞路徑。

根據該型號商用車轉向系統的結構及布置(見圖1),振動傳遞路徑有2條:分別為激勵源(發動機)→車架→轉向器→萬向節→轉向柱(轉向軸)→轉向盤(路徑一)、激勵源(發動機)→駕駛室前圍鈑金→轉向柱支座→轉向柱(轉向軸)→轉向盤(路徑二)。

圖1 某型號商用車轉向系統的結構及布置

現場將10臺故障車的轉向柱與連接桿部位斷開(見圖2 ),轉向盤抖動無明顯減輕,說明振動并非通過路徑一傳遞至轉向盤。初步考慮為振動通過路徑二傳遞至轉向盤,由于發動機隔振率差,發動機振動通過懸置系統、車架、前圍鈑金、轉向柱支座傳遞至轉向柱,引起轉向柱振動,再傳遞至轉向盤,造成轉向盤異常抖動。

圖2 斷開部位示意圖

初步判斷造成發動機隔振率差和轉向柱振動的原因為:1) 駕駛室前圍鈑金強度不足,引起轉向柱振動,進一步導致轉向盤抖動;2) 轉向柱支座強度不夠,引起轉向柱振動,進一步導致轉向盤抖動;3) 發動機懸置軟墊剛度過大,發動機隔振率差,使振動傳遞至轉向盤,導致轉向盤抖動。

2 降低轉向盤怠速抖動的改進方案

針對上述造成轉向盤怠速抖動的原因,分析并制定解決方案。

2.1 增加駕駛室前圍鈑金加強板

圖3為原車駕駛室前圍鈑金的三維幾何模型。駕駛室前圍鈑金與轉向柱通過支座連接,若強度不足,將導致轉向柱振動加劇。對此提出在駕駛室前圍鈑金增加加強板的改進方案。考慮到工藝限制和制造成本增加,僅在與轉向柱支座連接處增加加強板。圖4為改進后局部視圖。

圖3 駕駛室前圍鈑金三維模型

圖4 駕駛室前圍鈑金與轉向柱支座連接處增加加強板

利用有限元軟件對轉向盤通過轉向柱支座連接駕駛室前圍鈑金形成的結構進行模態分析,結果如下:前圍鈑金增加加強板后,模態頻率由改進前的24.2 Hz提高至26.9 Hz(見圖5)。模態頻率有所提高,有利于避開共振頻率。

圖5 增加駕駛室前圍鈑金加強板后的模態分析結果

2.2 增加轉向柱支座加強筋

轉向柱支座連接前圍鈑金與轉向柱,原車的轉向柱支座有1條加強筋。按原車的結構尺寸,在CATIA軟件中分別建立無加強筋、1條加強筋(原車狀態)、2條加強筋(改進狀態)的轉向柱支座三維幾何模型(見圖6),對3種轉向柱支座進行模態分析,模態頻率見表1。

表1 3種形式轉向柱支座的模態頻率

圖6 不同形式轉向柱支座三維模型

由表1可知:去掉加強筋時,轉向柱支座的一階、二階模態頻率與原車相比有所降低,容易產生共振;增加1條加強筋,使轉向柱支座具有2條加強筋,一階、二階模態頻率與原車相比有所提高,可降低共振風險。

2.3 降低懸置軟墊剛度

隔振率為過濾、隔離振動的能力,隔振率越高,隔振性能越好。

該車型發動機采用三點懸置形式。使用振動測試設備對原車隔振率進行測量,考察發動機前懸軟墊、左右后懸軟墊的隔振性能(見圖7),測試結果見圖8。由圖8可知:怠速工況(650 r/min)下,左右后懸軟墊的隔振率均低于80%,其中左后懸軟墊的隔振率僅為61%,隔振性能較差。

圖7 懸置軟墊隔振性能的測量

圖8 左右后懸軟墊隔振率測試結果

為增強發動機懸置的隔振效果,提高隔振率,將剛度820 N/mm的懸置軟墊更換為剛度525 N/mm的軟墊。圖9為新舊軟墊實物圖。

圖9 新舊軟墊實物

3 改進方案試驗分析

根據上述方案對實車進行改進,并進行試驗分析,檢驗改進方案的效果。

3.1 駕駛室前圍鈑金的改進測試

按照改進方案增加駕駛室前圍鈑金加強板后進行試驗,改進前后轉向盤振動加速度試驗結果見圖10。由圖10可知:650 r/min怠速工況下,轉向盤振動加速度由原10 m/s2降至改進后的5.3 m/s2,怠速工況下振動有所改善。

圖10 改進前后轉向盤12點振動加速度

3.2 轉向柱支座的改進測試

分別將原轉向柱支座(1條加強筋)和改進后轉向柱支座(2條加強筋)裝車進行試驗,轉向盤振動加速度測試結果見圖10。從圖10可以看出:轉向柱支座強度增強后,在發動機轉速范圍內,轉向盤振動加速度均有所降低,其中650～800 r/min轉速時尤為明顯,怠速工況下振動加速度由10 m/s2降至4.4 m/s2。

3.3 懸置軟墊的改進測試

將不同剛度的新舊懸置軟墊裝車進行試驗,測試其隔振率,結果見圖11。由圖10、圖11可知:減小軟墊剛度后,轉向盤振動加速度降低,由10 m/s2降至3 m/s2;左右后懸軟墊的隔振率較舊軟墊的隔振率均有所提高,怠速工況下隔振率接近90%,有效隔離了振動的傳遞。實車試驗中,將50臺車更換為剛度較小的軟墊,測試發現僅2臺車發生抖動,故障率為4點/(100 臺)。說明懸置軟墊剛度對轉向盤抖動有顯著影響,剛度過大是造成轉向盤抖動的主要原因之一。

圖11 改進前后左右后懸軟墊隔振率對比

3.4 綜合改進測試

根據上述試驗結果,怠速工況下,前圍鈑金加強、轉向柱支座加強、軟墊剛度減小3種改進措施中每一種措施均對降低轉向盤振動有效。將3種改進措施同時實施到該型號商用車上,考察3種措施同時作用的綜合減振效果,結果見圖12。由圖12可知:3種措施同時作用時的減振效果比任何一種措施單獨作用時更佳。在3種措施共同作用下,怠速工況下轉向盤振動大幅降低,12點位置處的振動加速度由原來的10 m/s2降至2 m/s2,降幅達80%,減振效果顯著。現場測試中手扶轉向盤無振動感,解決了轉向盤怠速抖動問題,改善了駕乘舒適性。

圖12 綜合改進的減振效果

4 結論

通過分析某型號商用車怠速工況下轉向盤振動過大的問題,采用振動傳遞路徑法進行分析,發現駕駛室前圍鈑金強度不足、轉向柱支座強度不夠、發動機懸置軟墊剛度過大是導致轉向盤抖動的主要原因。通過在前圍鈑金與轉向柱支座連接處增加加強板、增加轉向柱支座加強筋提高強度、更換剛度較小的發動機懸置軟墊提高隔振率,有效消除了轉向盤抖動現象,提高了駕乘舒適性。這類改進措施對成本增加的影響微乎其微,對產品質量不會帶來負面影響。但采用剛度較小的發動機懸置軟墊存在動力總成跳動增大、風扇與周邊動態干涉的風險,需進一步驗證。