商用车发动机怠速运转方向盘抖动控制研究

史文库，邬广铭，陈志勇，桂龙明，郭福祥，方德广

(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022;2.南京依维柯汽车有限公司，南京 210028)

发动机怠速运转时，方向盘抖动会给驾驶员带来较大麻烦，尤其是在城市道路行车时经常遇到红绿灯，需要经常地停车、开车，使得驾驶员的手臂有麻木感，影响驾驶员的驾驶心情和情绪［1］。

本文针对怠速时方向盘剧烈抖动现象的问题进行深人的研究分析，并对方向盘抖动现象进行抑制。

1 方向盘抖动原因分析

1.1 方向盘振动测试

发动机怠速运转时，汽车最大的激励源就是发动机的振动。引起方向盘抖动的原因，主要为动力总成的振动传递到车架及车身上。定义方向盘坐标系如下:坐标系的原点O为方向盘中心点;方向盘平面与汽车纵向平面的交线取为方向盘的X轴，规定向前为正;方向盘的Y轴同整车坐标系的Y轴平行，规定向左为正;方向盘盘面向上为方向盘的Z轴与方向盘平面垂直，规定向上为正。图1为汽车驻车状态下，缓油门加速时，方向盘各向振动加速度均方根值随发动机转速变化图。从图1可以看出，当发动机转速为890 r/min左右时，方向盘的X向和Z向抖动最为严重;而当发动机转速为1 000 r/min左右时，方向盘的Y向抖动最为严重。为确定方向盘振动的激励，分别对三向加速度进行阶次跟踪，图2为方向盘Z向加速度阶次跟踪)。可以看出，发动机的2阶点火频率对方向盘的抖动起到主要的影响作用。在890 r/min左右(对应发动机2阶点火频率约为29.5 Hz)对方向盘X向和Z向的抖动的影响最为严重，在1 000 r/min左右(对应发动机2阶点火频率约为33.3 Hz)对方向盘Y向的抖动影响最为严重。

在怠速工况(发动机转速为800 r/min)下，发动机二阶点火频率为26.7 Hz。当转向系统的固有频率接近该频率时，方向盘会因共振而剧烈抖动。

1.2 转向系统模态分析

对约束状态下的转向系统进行有限元模态分析，得到其固有频率及振型，并用试验模态验证。

1.2.1 有限元模态分析

图1 定置匀加速工况下方向盘各向振动加速度均方根值Fig.1 RMS value of acceleration in each direction

图2 定置匀加速工况下方向盘Z向加速度阶次跟踪Fig.2 Rrder tracking of acceleration inZ direction

建立转向系统和仪表台横梁相连接的三维模型，导入HyperMesh中进行网格划分，所有部位之间均按实际情况进行连接，边界条件和约束均采用实际情况进行模拟。有限元模型如图3所示。有限元模型在OptiStruct中采用 Lanczos方法进行模态分析［2-3］。约束状态下的转向系统前五阶有限元模态频率如表1所示，其中第四阶有限元模态频率(28.09 Hz，振型为转向管柱相对横梁俯仰运动，图4)与缓油门加速时X向和Z向的峰值频率(29.5 Hz)接近;第五阶有限元模态频率(33.61 Hz，振型为转向管柱相对横梁左右运动，图5)与缓油门加速时Y向峰值频率(33.3 Hz)十分接近。

图3 转向系统网格模型Fig.3 FE model of steering system

图4 转向系统第四阶有限元模态振型(28.09Hz)Fig.4 The 4th FE modal shape(28.09Hz)

图5 转向系统第五阶有限元模态振型(33.61 Hz)Fig.5 The 5th FE modal shape(33.61 Hz)

1.2.2 试验模态分析

在有限元建模过程中，由于对转向系统模型进行了少量的简化，使有限元模型与实际结构不同。因此有必要对约束状态下的转向系统做模态试验，以验证有限元分析的可靠性。试验中采用锤击法测试转向系统的测点加速度响应，并提取系统的模态参数［4-6］。在转向盘的盘圈和转向管柱上布置测点，如图6所示。力锤分别在转向盘和转向管柱上进行激振，如图7所示。为测出转向系统各个方向的模态，对转向盘激振点的Z向进行激振，对转向管柱激振点的X向和Y向分别激振。

图6 测点布置Fig.6 Measure points

图7 力锤激振点Fig.7 Exciting point

约束状态下的转向系统前五阶试验模态频率如表1所示。有限元模态和试验模态的振型及振动方向基本一致，固有频率差距不大。其中第四阶和第五阶试验模态的振型(分别为在方向盘坐标系XZ平面内转向管柱相对横梁俯仰运动和在YZ平面内转向管柱相对横梁左右运动，图8与频率(分别为28.53 Hz和33.11 Hz)与有限元模态基本一致。

表1 转向系统模态频率与振型Tab.1 Modal frequency and shape of steering system

图8 转向系统试验模态振型Fig.8 Test modal shape of steering system

这一结果说明:有限元分析和试验分析的结果是正确的，方向盘的怠速抖动主要是由于约束状态下转向系统的模态频率与发动机的2阶点火频率接近，转向系统结构共振引起的。由试验和模态分析结果可知，对共振起主要作用的是第四阶和第五阶模态。

2 方向盘抖动的改进途径

要想降低发动机的振动对方向盘的影响，最有效的方法就是隔振、减振和使部件避开共振频率段。

2.1 对转向管柱与仪表台横梁的连接处进行优化

对转向管柱与仪表台横梁之间连接处优化［7-8］，如图9，三角支架(图中灰色件)和转向管柱盖板件的厚度分别由1.7 mm、2 mm改为2 mm、3 mm，并对两者结构进行优化。对优化后的转向系统进行有限元分析。优化后转向系统的第四阶约束模态频率为31.43 Hz，相对优化前提升了11.89%，振型如图10;第五阶约束模态频率为35.58 Hz，相对优化前提升了5.86%，振型如图11。该频率与发动机怠速2阶点火频率(26.7 Hz)间隔较远，可以有效避免怠速共振现象。

图9 转向管柱连接支架优化示意图Fig.9 Structure of optimized steering system

图10 优化后转向系统第四阶有限元模态振型(31.43Hz)Fig.10 The 4th modal shape after optimization(31.43Hz)

图11 优化后转向系统第五阶有限元模态振型(35.58 Hz)Fig.11 The 5th modal shape after optimization(35.58 Hz)

2.2 方向盘的轻量化

根据振动理论，降低方向盘质量，也可以提升转向管柱的刚体固有频率［9］。实现方向盘的轻量化主要有两种途径:一是在材料不变的情况下，以不降低方向盘刚度和强度为约束条件，采用结构拓扑优化减轻方向盘质量;二是采用替代材料，如铝合金、复合材料或高强钢等减重。用铝合金替代原车方向盘的骨架材料，并做拓扑优化设计后，原车方向盘质量由2.8 kg降至2.0 kg。对优化后的转向系统进行有限元分析，转向系统第四阶约束模态频率为30.42Hz，相对之前提升了8.29%，振型如图 12;第五阶约束模态频率为36.79 Hz，相对之前提升了9.46%，振型如图13。该频率与发动机怠速2阶点火频率(26.7 Hz)间隔较远，也可以有效避免怠速共振现象。

图12 方向盘减重后转向系统第四阶模态振型(30.42Hz)Fig.12 The 4th modal shape after lightweight(30.42Hz)

图13 方向盘减重后转向系统第五阶模态振型(36.79 Hz)Fig.13 The 5th modal shape after lightweight(36.79 Hz)

3 试验验证

针对方向盘的怠速异常抖动现象，设计两种改进方案:

(1)对转向管柱与仪表台横梁的连接处结构进行优化并试制。

(2)降低方向盘的重量。方向盘骨架材料改用铝合金代替，方向盘质量由2.8 kg降至2.0 kg。

表2 改进方案模态频率Tab.2 Modal frequency of projects

优化后转向系统的各阶约束试验模态频率如表2所示，振型如图14和图15所示。相对优化前两种改进方案的第四阶和第五阶模态频率均有很大提升，与发动机怠速二阶点火频率间隔较远;第三阶模态频率基本不变;前三阶约束模态频率均远离发动机怠速二阶点火频率，有效避免怠速共振现象。

图14 结构加强后转向系统模态振型Fig.14 Modal shape after optimization

图15 方向盘减重后转向系统模态振型Fig.15 Modal shape after after lightweight

以上两种方案的改进效果，需要分别通过怠速试验来验证，如图16所示在方向盘上端布置一个加速度传感器，采集其振动加速度信号，用《GB/T 14790.1-2009机械振动:人体暴露于手传振动的测量与评价》的评价方法对方向盘振动进行评价，方向盘振动总值如表2。可以看出，相对于改进前，各改进方案的方向盘振动总值均有大幅下降，方向盘的抖动有明显的改观。

表3 各改进方案评价Tab.3 Test results of projects

图16 方向盘上加速度传感器的布置Fig.16 Arrangement of accelerometer on steering wheel

4 结论

针对汽车方向盘抖动问题，本文利用振动测试手段结合工作状态模态分析方法，识别了方向盘发生共振频率带。为了改善方向盘抖动问题，提高驾驶舒适性，本文提出转向管柱与仪表台横梁的连接处结构优化与方向盘轻量化设计两种改进方案。最后针对这两项改进措施分别进行了试验验证，结果表明两项措施都能够较好的降低方向盘抖动。本文的研究成果能够应用于其它车型方向盘减振工作，为方向盘及转向管柱总成减振隔振提供工程参考。

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