某轻卡方向盘怠速抖动控制研究

王 红

（广州工程技术职业学院，广东 广州 510075）

某轻卡方向盘怠速抖动控制研究

王 红

（广州工程技术职业学院，广东 广州 510075）

文章针对某轻卡在怠速开空调工况下方向盘抖动问题展开研究，通过方向盘振动测试与转向系统模态测试，分析并确定了方向盘抖动原因。利用有限元方法计算分析了主要零件参数对转向系统第一阶模态频率的影响灵敏度，最终提出了优化设计方案。根据设计方案进行了样件试制与装车，并进行了试验验证，结果表明方向盘抖动问题显著改善。

方向盘；怠速抖动；控制；灵敏度分析；结构优化

Abstract:This paper studies steering wheel’s shaking problem of a light truck at the idle AC on condition. Vibration tests and modal analysis of the steering system have done for determine the cause of steering wheel’s shaking. The modal sensitivities of the main part parameters on the first-order modal frequency of the steering system is calculated and analyzed using the finite element method. Finally, the optimal design scheme is put forward. The effectiveness and rationality of the improvements were verified through sample preparation, assembly and tests．

Keywords: Steering wheel; Shaking; Control; Modal sensitivity; Structural optimization

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-198-04

引言

影响轻卡驾驶舒适性的关键因素是驾驶室及相关零部件的异常振动，其中方向盘是驾驶员直接接触的零件，其振动能量直接传递到驾驶员的手和胳膊等部位，影响驾驶员的健康和情绪[1][2]。怠速是汽车常用工况，因此，怠速方向盘抖动是必须控制的 NVH问题。振动控制一般有两个方面：控制振源和控制振动响应端的响应特性。对于方向盘来说，振源来自于发动机、重要附件、传动系统和路面等，一般控制难度较大。轻卡转向系统结构普遍简单，从改变转向系统结构入手，是控制方向盘振动的有效而简捷的方法。

本文所研究样车为某国产品牌轻卡，其在怠速开启空调状态下方向盘抖动剧烈，手触及时有发麻感觉，且有重影现象。本文针对方向盘异常抖动问题进行了试验测试、诊断、仿真与分析。

1 试验测试与诊断

1.1 方向盘振动测试

样车怠速时发动机转速为850r/min左右，开启空调后转速升高到940 r/min左右。样车所装备发动机为直列四缸柴油机，此类发动机活塞往复运动的二阶惯性力是主要外力[3][4]，空调系统装备10缸定排量压缩机，活塞对向布置，其主要激励力是活塞往复运动的一阶惯性力，压缩机与发动机曲轴速比是1.22，因此，压缩机的主要激励力相对于发动机阶次是12.2 阶[5]。

首先定义方向盘坐标系，定义盘面中心点为坐标原点，前方12点钟方向为X轴（与方向盘面平行），Y轴与整车坐标系Y轴平行，指向左侧，Z轴垂直于X、Y轴组成的平面。在方向盘坐标系原点处布置三向加速度传感器，如图1所示。测量怠速开空调工况方向盘振动频谱图，图2所示为Y向测试结果，其它两个方向与Y向相似。

图1 方向盘处振动加速度传感器布置

振动峰值频率为31.3Hz，与发动机二阶激励频率重合。根据空调压缩机速比及缸数，计算压缩机激励主频率为191Hz，图2中，对应191Hz的峰值较小，因此可以说明，方向盘处振动主要来源于发动机二阶激励，而与压缩机激励关系不大。

图2 怠速开空调工况方向盘振动加速度频谱（938.7 r/min）

为进一步诊断振动原因，测量了定置发动机匀加转速工况方向盘处的振动，其阶次跟踪如图3所示。可见振动主阶次为发动机二阶，且在发动机转速940 r/min附近出现峰值，与怠速开空调工况下数据相互对应。图3中还可以看出，其它转速下发动机二阶激励引起的振动相对较弱。因此，怀疑方向盘在该转速下异常抖动的原因是发动机二阶激励引起转向系统共振。

为此，需对转向系统进行固有频率测试与分析。

图3 定置匀加转速工况方向盘振动加速度阶次跟踪图

1.2 转向系统模态测试与分析

为反应真实情况，测量整车约束状态转向系统模态，试验方法采用锤击法[6][7]。在方向盘上布置 7个三向加速度传感器，如图4所示，在转向柱管上布置5个三向加速度传感器。力锤的激励点选择在转向柱管靠近方向盘坐标原点位置，测得各个测点的频率响应函数后，计算获得转向系统第一阶模态频率为31.6Hz，如图5所示。

图4 转向系统模态测试传感器布置

转向系统第一阶模态频率与怠速开空调时发动机二阶激励频率非常接近，由此判断方向盘异常振动原因为发动机二阶激励引起转向系统共振。

图5 转向系统第一阶模态(31.6Hz)

2 方向盘抖动的控制方案

明确方向盘抖动的原因后，拟采取的控制方案是改变转向系统第一阶模态频率，如果降低其模态频率，容易发生怠速（关闭空调）共振，因此，应采取能够提高其一阶模态频率的措施。

能够影响转向系统一阶模态的零件包括方向盘、转向柱管—车身连接支架、转向柱管、转向柱等，而且这些零件对一阶模态影响的灵敏度不同，为了提出更有针对性的方案，需对上述零件参数的模态灵敏度进行分析和排序。

表1 模态灵敏度

首先建立了包括部分车身在内的转向系统有限元模型[8]，如图6所示。以转向系统主要零件参数为设计变量，以总成质量增加不超过 5%为约束条件，以一阶固有频率最大为优化设计目标，采用 OptiStruct软件进行参数优化设计，得到转向系统一阶模态频率对各参数的模态灵敏度[9]，如表1所示。

根据表1所示的一阶模态灵敏度排序，在有限元软件中，重新设计并延长了连接支架长度，如图7所示。对改进后的转向系统重新进行了模态计算，结果表明，第一阶模态频率提高至40.9Hz。

图6 转向系统有限元模型

图7 转向系统与车身连接支架

图8 转向系统及仪表板支架总成有限元模态计算(40.9Hz)

根据优化设计及有限元计算结果，重新设计并试制了转向柱管连接支架，如图9所示。

图9 转向管柱连接支架强化

3 试验验证

首先进行了模态测试验证，试验方法和传感器布置位置、数量与前文相同，模态测试结果如图10和表2所示。延长连接支架后转向系统第一阶模态提高到41.3Hz，对应有限元计算结果误差较小，改进后的转向系统一阶模态已经远离发动机二阶激励频率。

为最终确定改进效果，对方案进行了整车试验验证，验证工况设定为怠速开空调，传感器布置于方向盘坐标系原点不变，采集并对比分析了方向盘处三个方向振动加速度幅值，如图11所示。可以看出，改进后方向盘三个方向的振动幅值均有所下降。

图10 加强后转向系统第一阶模态(41.3Hz)

表2 转向系统模态频率对比

图11 改进前后方向盘处振动加速度幅值对比

以《GB/T 14790.1-2009机械振动：人体暴露于手传振动的测量与评价》规定的评价方法对方向盘振动进行评价与对比，方向盘振动总值如表3所示。可以看出，优化后怠速开空调工况下方向盘振动总值降低达71.7%，改进效果明显。

表3 方向盘振动总值

4 结论

本文针对某轻卡在怠速开空调工况下方向盘抖动问题展开研究，首先测试并分析了方向盘振动加速度频谱信号，排除了空调压缩机的影响，初步确定了异常振动来源于发动机激励；然后进行了转向系统的模态测试，确认了方向盘抖动原因是发动机二阶激励引起转向系统共振。建立了包含部分车身在内的转向系统有限元模型，计算分析了各主要零件参数对转向系统一阶模态频率影响的灵敏度。最终确定了改进方案，并进行了模态测试验证和整车试验验证，结果表明转向系统一阶模态频率明显提高，方向盘抖动显著改善。本文的研究成果和优化设计方法能够为汽车相关零部件共振问题提供解决方法和工程参考。

[1] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M]．北京:北京理工大学出版社,2006．

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[3] 徐传燕.发动机惯性参数和激励力的振动识别方法研究[D].华南理工大学,2012．

[4] 高乐.发动机半主动悬置模糊控制策略及 AMESim 仿真研究[D].长安大学,2016.

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[9] Hamiltion D. Frequency Domain Consideration in Vehicle Design for Optimal Structural Feel[C]// SAE Paper, 2000 -01-1344.

Steering wheel’s shaking control of a light truck

Wang Hong
( Guangzhou Institute of Technology, Guangdong Guangzhou 510075 )

U463.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-198-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.069

王红，就职于广州工程技术职业学院。