王亞運(yùn) 孫福華

【摘? 要】為有效解決某MPV方向盤在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)2500r/min時(shí)存在振動大問題，結(jié)合問題現(xiàn)象對振動傳遞路徑進(jìn)行系統(tǒng)分析，使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，確認(rèn)振動為發(fā)動機(jī)二階激勵經(jīng)右懸置傳遞到方向盤。通過調(diào)整發(fā)動機(jī)標(biāo)定策略避開方向盤振動頻率，并對方向盤輪圈進(jìn)行優(yōu)化以降低方向盤盤體一階模態(tài)幅值。主觀評價(jià)和實(shí)車測試表明，實(shí)施優(yōu)化方案后，方向盤振動明顯降低，問題得到有效解決，提升該車NVH性能表現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】方向盤；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；振動；模態(tài)分析；主觀評價(jià)

中圖分類號：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0066-03

【Abstract】In order to effectively solve the problem of vibration of an MPV steering wheel when the engine speed reaches 2500r/min，systematically analyzing the vibration transmission path by combing the problem phenomenon. Combined with the data acquisition equipment，the vibration was confirmed as the second-order engine excitation transmitted to the steering wheel by engine right mount. By adjusting the engine calibration strategy to avoid the vibration frequency of the steering wheel，the steering wheel was optimized to reduce the first-order modal amplitude of the steering wheel body. The subjective evaluation and the car test shows that after implementing the optimization scheme，the steering wheel vibration was significantly reduced，the problem was effectively solved，and the NVH performance of the vehicle was improved.

【Key words】steering wheel；steering system；vibration；modal analysis；subjective evaluation

汽車NVH性能作為衡量汽車品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，已經(jīng)成為顧客選購車型的重要買點(diǎn)。近些年，國產(chǎn)汽車的NVH性能表現(xiàn)有著跨越式提升，這離不開國內(nèi)相關(guān)汽車行業(yè)從業(yè)人員為改善汽車性能所做的不斷努力與探索。

一般駕駛工況下，在車輛行駛過程中，車內(nèi)駕駛員和乘客可以直接感受到振動源并不多，主要來自于方向盤、地板、座椅和車門內(nèi)板等。方向盤是駕駛員操縱汽車最直接的零部件之一，其振動表現(xiàn)會直接影響到駕駛員的操縱舒適度，因此對方向盤的振動控制向來都是汽車性能開發(fā)人員的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。當(dāng)前已有不少高端車型，為了進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)怠速下的方向盤振動，率先巧妙地采用了將方向盤氣囊設(shè)計(jì)為動力吸振器的方式，并取得不錯(cuò)的減振效果，提升了整車NVH品質(zhì)。

方向盤是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一。方向盤通過轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向機(jī)相連，轉(zhuǎn)向管柱由儀表板橫梁固定在車身上，而轉(zhuǎn)向機(jī)由轉(zhuǎn)向拉桿與車輪軸頭相連接。整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車身的連接比較復(fù)雜，所以當(dāng)發(fā)生方向盤振動時(shí)，需要系統(tǒng)梳理每一條潛在的傳遞路徑。一般地，引起方向盤振動的主要激勵為動力總成激勵和輪胎激勵，其振動傳遞的主要路徑如圖1所示。

1? 方向盤振動機(jī)理分析

1.1? 問題描述

某MVP樣車，在加速行駛過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min左右時(shí)，方向盤存在振動大問題，影響了駕駛員行車舒適性。對該行駛工況進(jìn)行主觀評價(jià)打分，得到整車在加速工況下行駛時(shí)駕駛員對振動的評價(jià)打分為5.5分（表1），需要優(yōu)化整改。

為了解決該問題，使用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在方向盤的12點(diǎn)處位置布置振動傳感器，采集該工況下方向盤的振動信號并進(jìn)行處理分析。數(shù)據(jù)顯示，在一定油門開度下，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到2500r/min左右時(shí)，方向盤X向的振動加速度幅值達(dá)9.5m/s2（圖2），且振動幅值數(shù)據(jù)不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1.2 問題分析

從振動傳遞路徑的角度來分析。汽車在行駛過程中，輪胎快速旋轉(zhuǎn)并受到路面的激勵產(chǎn)生振動，該振動可能通過多條路徑傳遞給方向盤，導(dǎo)致方向盤振動。由于問題車輛為新能源混動車型，評價(jià)發(fā)現(xiàn)當(dāng)該車在純電EV模式相同車速下行駛時(shí)，并未出現(xiàn)方向盤振動大的問題，結(jié)合方向盤振動數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)方向盤的振動階次主要表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)二階振動（圖3），故排除輪胎的激勵。

整車在加速過程中，發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)并產(chǎn)生振動激勵。結(jié)合發(fā)動機(jī)的工作原理，普通4缸4沖程發(fā)動機(jī)的激勵以其二階激勵為主，一般主要通過匹配動力總成懸置來有效控制發(fā)動機(jī)的激勵傳遞。這些懸置通過螺栓固定在車身縱梁或副車架上，雖然設(shè)計(jì)合適懸置參數(shù)能有效阻斷發(fā)動機(jī)的一部分振動，但是一般在懸置的被動側(cè)仍能表現(xiàn)出較明顯的發(fā)動機(jī)激勵階次。問題車輛動力系統(tǒng)匹配了4個(gè)動力懸置，為了確認(rèn)動力總成對整車振動的影響程度，在每個(gè)動力總成懸置的各被動側(cè)各布置一個(gè)振動傳感器（圖4），使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集發(fā)動機(jī)各主被動側(cè)3個(gè)方向的振動信號進(jìn)行對比分析。

經(jīng)對比動力總成各懸置被動側(cè)的二階振動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)右懸置被動側(cè)Y向和Z向在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min附近（對應(yīng)發(fā)動機(jī)二階激勵約為83Hz）有著比較明顯的振動（圖5）。進(jìn)一步排查，使用模態(tài)采集設(shè)備，對方向盤模態(tài)進(jìn)行測試，測得方向盤盤體模態(tài)頻率為82Hz，與右懸置被動側(cè)的振動頻率比較接近。綜上認(rèn)為，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2500r/min附近時(shí)，其二階激勵在右懸置產(chǎn)生的振動與方向盤模態(tài)頻率耦合，導(dǎo)致方向盤存在振動大問題。

2? 優(yōu)化方案制定及驗(yàn)證

2.1? 優(yōu)化分析

結(jié)合“振動源-振動傳遞路徑-振動響應(yīng)體”的排查思路進(jìn)行梳理，可以做出以下優(yōu)化分析。

1）方案1：針對振動源進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)動機(jī)的二階激勵是引起方向盤振動的激勵源，因此可以調(diào)整加速工況下的發(fā)動機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，針對一般加速工況，使得整車在正常加速時(shí)，調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在上升到2500r/min之前開始降速換擋，以使其激勵頻率避開方向盤的模態(tài)頻率。該方案整改難度小，且無需調(diào)整任何結(jié)構(gòu)，整改費(fèi)用低。但需要考慮整車加速動力性能，在部分加速工況下，如當(dāng)在大油門加速或者高速行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速仍會通過2500r/min的共振區(qū)間，導(dǎo)致問題復(fù)現(xiàn)。

2）方案2：針對振動傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化?？梢酝ㄟ^重新調(diào)整懸置參數(shù)，來降低右懸置被動側(cè)的振動，也可以對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來降低懸置被動側(cè)到方向盤的振動傳遞靈敏度，但這類整改方案周期較長、費(fèi)用較高。

3）方案3：針對振動響應(yīng)體進(jìn)行優(yōu)化。可以直接優(yōu)化方向盤本體，降低其自身的模態(tài)靈敏度幅值。

基于該車車型定位和研發(fā)周期，由于方向盤振動為自身模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)二階振動激勵頻率耦合，采用方案1和方案3相結(jié)合的方式，對方向盤振動問題進(jìn)行優(yōu)化。但優(yōu)化時(shí)不僅要考慮方向盤本體的模態(tài)靈敏度幅值變化，也要考慮其與轉(zhuǎn)向管柱和儀表板橫梁在整車上構(gòu)成的系統(tǒng)模態(tài)頻率變化。由于發(fā)動機(jī)在怠速工況下的標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1050r/min，對應(yīng)發(fā)動機(jī)的二階激勵為35Hz，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，這就要求優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)的頻率大于38Hz，以免產(chǎn)生怠速工況下方向盤振動問題。

結(jié)合有限元仿真分析對方向盤盤體進(jìn)行優(yōu)化，為不改變方向盤的整體外造型，只對方向盤輪圈骨架進(jìn)行優(yōu)化分析，目標(biāo)為使方向盤盤體一階模態(tài)靈敏度幅值降低一半。優(yōu)化后的輪圈骨架截面如圖6所示。對優(yōu)化后的方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析確認(rèn)（圖7），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)為39.7Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

制作優(yōu)化后的方向盤樣件進(jìn)行盤體模態(tài)測試，并將結(jié)果與原狀態(tài)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖8所示，優(yōu)化后的方向盤模態(tài)頻率降低4.3Hz，模態(tài)頻率對應(yīng)的幅值為原狀態(tài)的45%，滿足優(yōu)化目標(biāo)。

2.2? 效果驗(yàn)證

將優(yōu)化后的方向盤以工作狀態(tài)安裝在整車上，并進(jìn)行實(shí)車加速工況方向盤振動主觀評價(jià)。主觀評價(jià)認(rèn)為，當(dāng)發(fā)動機(jī)加速到2500r/min左右時(shí)，方向盤振動明顯消失，可以接受。該工況下方向盤振動主觀評價(jià)打分提升至7.5分。對方向盤振動進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)測試，將測試數(shù)據(jù)與原狀態(tài)下方向盤振動進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖9所示。方向盤的振動幅值由9.5m/s2下降至2.7m/s2，降低幅值達(dá)6.8m/s2。

針對優(yōu)化后的方向盤在怠速工況下的振動表現(xiàn)情況進(jìn)行對比評價(jià)，主觀評價(jià)認(rèn)為，怠速工況下方向盤振動無明顯變化且無問題，主觀評價(jià)打分為8分。在怠速工況下進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)顯示，方向盤振動幅值由0.13m/s2變?yōu)?.11m/s2，振動幅值變動不大，滿足目標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文以某油電混合動力MPV為樣本，針對加速工況下方向盤振動大問題進(jìn)行分析，通過對方向盤振動信號采集分析，得到方向盤的振動主要表現(xiàn)為二階振動。通過采取“振動源-振動傳遞路徑-振動響應(yīng)體”的排查思路，得出以下方案：①調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速換擋策略以避開方向盤模態(tài)頻率，可以有效避免方向盤發(fā)生共振；②降低方向盤的模態(tài)靈敏度幅值，可以有效降低其在共振時(shí)的振動幅值。方案經(jīng)主觀評價(jià)和客觀測試對比驗(yàn)證有效，為同類型的振動排查提供了一定的借鑒思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯志鴻. 汽車怠速工況方向盤振動控制研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2013：34-38.

[2] 趙龍燦. 某SUV高速行駛下方向盤振動分析與減振措施[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2018：11-21.

[3] 譚萬軍，楊亮，吳行讓，等. 基于ODS與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方向盤擺振優(yōu)化[J]. 振動工程學(xué)報(bào)，2011（5）：498-504.

[4] Dan M，Swayze J，Mathey J. Experimental Method Development for Steering Wheel System Optimization With Integral Dynamic Tuned Absorber[C]//SAE 2005 Noise and Vibration Conference and Exhibition，2005：63-74.

[5] 龐劍. 汽車車身噪聲與振動控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：1-170.

[6] 唐中華，張志飛，陳釗，等. 車內(nèi)低頻振動噪聲的虛擬傳遞路徑分析[J]. 汽車工程，2020，42（4）：531-536，566.

（編輯? 楊? 景）