張宏亮，于 仙，林華山

（1.華晨汽車集團(tuán)控股有限公司，遼寧 沈陽 110044；2.集美大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車舒適性的要求越來越高。汽車舒適性主要采用成員主觀感覺的舒適性為主，客觀參數(shù)測(cè)量為輔的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前方向盤振動(dòng)也是影響汽車舒適性的重要方面，方向盤振動(dòng)會(huì)影響駕駛員的駕駛心情和情緒、疲勞。

怠速時(shí)，主要的振動(dòng)源是發(fā)動(dòng)機(jī)。要降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)其他系統(tǒng)的影響，常用的方法有：隔振、減振和使部件避開發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率段[1]。即利用避開發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率段的思路，通過對(duì)怠速時(shí)方向盤振動(dòng)的分析，采用客觀參數(shù)測(cè)量與整車舒適性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，確定方向盤振動(dòng)原因及改進(jìn)措施。

2 怠速時(shí)方向盤振動(dòng)的研究

2.1 怠速時(shí)方向盤振動(dòng)加速度測(cè)試

2.1.1 測(cè)試目的

客觀測(cè)量怠速時(shí)方向盤x、y、z 方向的振動(dòng)加速度值，與經(jīng)驗(yàn)值比較確認(rèn)是否與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相一致。

2.1.2 測(cè)試方法及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)為方向盤中心點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試空調(diào)開啟及空調(diào)關(guān)閉時(shí)方向盤中心點(diǎn)的振動(dòng)加速速度值。測(cè)得數(shù)據(jù)，如表1 所示。表中：1—帶安全氣囊樣車；2—不帶安全氣囊樣車。

表1 方向盤中心振動(dòng)加速度（改進(jìn)前）Tab.1 Acceleration at Center of Steering Wheel（unimproved）

由表1 得出，空調(diào)關(guān)閉時(shí)樣車（帶安全氣囊及不帶安全氣囊）方向盤總振動(dòng)值分別為0.125g 和0.069g，均大于經(jīng)驗(yàn)值0.05g（對(duì)應(yīng)主觀評(píng)價(jià)6 分），空調(diào)開啟時(shí)，方向盤總振動(dòng)值分別達(dá)到0.265g 和0.198g，遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值0.1g（對(duì)應(yīng)主觀評(píng)價(jià)6 分）。兩種工況下方向盤中心振動(dòng)值均超出經(jīng)驗(yàn)值，符合主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，即方向盤振動(dòng)過大，影響駕駛員駕駛時(shí)的舒適性。

2.2 方向盤系統(tǒng)固有頻率測(cè)試

2.2.1 測(cè)試目的

對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（包括儀表橫梁總成及轉(zhuǎn)向管柱總成）進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，找出共振頻段。

2.2.2 模態(tài)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析、健康檢測(cè)的一種有效方法，在各種大小型工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

模態(tài)實(shí)驗(yàn)是將振動(dòng)理論、振動(dòng)測(cè)量及真實(shí)數(shù)據(jù)分析綜合應(yīng)用的一種實(shí)驗(yàn)方法。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是人為的對(duì)結(jié)構(gòu)物施加動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)及激振力信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)，用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[3-4]。模態(tài)有理論計(jì)算方法是以模態(tài)矩陣作為變換矩陣，將原物理坐標(biāo)變換到自然坐標(biāo)，使系統(tǒng)在原坐標(biāo)下的耦合方程組變成一組互相獨(dú)立的二階常微分方程，用求解得到系統(tǒng)各階模態(tài)的振動(dòng)，模態(tài)疊加，回到原物理坐標(biāo)[5-6]。

2.2.3 測(cè)試方法及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)為方向盤中心點(diǎn)，測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)頻率。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)頻率（改進(jìn)前）如表2 所示。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)頻率（改進(jìn)前）Tab.2 Frequency of Steering System（unimproved）

已知發(fā)動(dòng)機(jī)二階激振頻率為26Hz（熱機(jī)怠速不開空調(diào)）、28.5Hz（熱機(jī)怠速開空調(diào)）[7]。由測(cè)試結(jié)果可以得出車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果顯示X、Y 方向第一階模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)二階模態(tài)接近。因此分析，怠速方向盤振動(dòng)問題主要是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率偏低，在怠速發(fā)動(dòng)機(jī)二階激振頻率的激勵(lì)下所致。應(yīng)將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率提高至32Hz 以上，以解決方向盤抖動(dòng)問題。

3 解決措施

要提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率，主要針對(duì)儀表橫梁及轉(zhuǎn)向管柱的安裝進(jìn)行改進(jìn)以提高系統(tǒng)剛度。儀表橫梁作為轉(zhuǎn)向管柱的安裝載體，其剛度的提升對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)提升起著至關(guān)重要的作用[8]。

3.1 儀表臺(tái)橫梁的改進(jìn)

在儀表臺(tái)橫梁中間增加三角支撐，如圖1 所示。對(duì)A、C 兩處，如圖2 所示。鈑金件進(jìn)行焊接加強(qiáng)，如圖3 所示。

圖1 儀表橫梁總成Fig.1 Instrument Panel Cross Member

圖2 轉(zhuǎn)向管柱支架總成（改進(jìn)前）Fig.2 Steering Column（unimproved）

圖3 轉(zhuǎn)向管柱支架總成（改進(jìn)后）Fig.3 Bracket of Steering Column（improved）

3.2 緊固點(diǎn)加強(qiáng)

主要指轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁支架之間的連接部分的加強(qiáng)。轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁支架一般采用螺栓緊固，故首先在儀表臺(tái)橫梁C 點(diǎn)增加2 個(gè)M8 螺栓固定點(diǎn)，加強(qiáng)轉(zhuǎn)向柱與儀表臺(tái)橫梁的連接，如圖2 所示；其次儀表臺(tái)橫梁A 點(diǎn)處螺栓更換為M8 螺栓從而加大轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁的緊固力矩。

4 改進(jìn)效果驗(yàn)證

4.1 各項(xiàng)措施模態(tài)提升效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)以樣車（帶安全氣囊）為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行客觀值測(cè)量。將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及儀表橫梁模態(tài)提升措施效果進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示。

由表3 可知，儀表臺(tái)橫梁A 點(diǎn)（A、B、C 點(diǎn)定義見圖2）連接對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)X、Y 方向模態(tài)影響均比較大，因此裝配過程中，此處連接必須裝配到位。在當(dāng)前設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在儀表臺(tái)橫梁C 點(diǎn)增加2 個(gè)M8 螺栓與轉(zhuǎn)向柱的連接對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)X、Y 方向模態(tài)影響都非常大。即加強(qiáng)連接點(diǎn)的緊固力矩效果明顯。對(duì)儀表橫梁進(jìn)行鈑金件的焊接加強(qiáng)對(duì)X 方向的模態(tài)提升較大。且摘掉氣囊后模態(tài)效果提升較明顯，所以該改進(jìn)效果比較成功。

表3 改進(jìn)后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)提升情況Table.3 Improvement of Steering System

4.2 整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)及模態(tài)對(duì)比

改進(jìn)后的系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，如表4、表5 所示。

表4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)（改進(jìn)后）Tab.4 Steering System Frequency（improved）

表5 方向盤中心振動(dòng)加速度（改進(jìn)后）Tab.5 Acceleration at Steering Wheel Center（improved）

改進(jìn)后，樣車帶與不帶氣囊時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率均高于32Hz。樣車不帶氣囊狀態(tài)下，關(guān)空調(diào)時(shí)，怠速方向盤總振動(dòng)為0.054g，比原狀態(tài)降低22%，主觀評(píng)價(jià)可接近6 分，開空調(diào)時(shí)，怠速方向盤總振動(dòng)為0.151g，比原狀態(tài)降低24%，主觀評(píng)價(jià)可接近5.5 分，怠速方向盤主觀評(píng)價(jià)綜合打分預(yù)計(jì)高于5.5 分，達(dá)到目標(biāo)值。

樣車帶氣囊狀態(tài)下，關(guān)空調(diào)時(shí)，怠速方向盤總振動(dòng)為0.053g，比原狀態(tài)降低30%，主觀評(píng)價(jià)可接近6 分，開空調(diào)時(shí)，怠速方向盤總振動(dòng)為0.139g，主觀評(píng)價(jià)可超過5.5 分，怠速方向盤主觀評(píng)價(jià)綜合打分預(yù)計(jì)高于5.5 分，達(dá)到目標(biāo)值。

5 結(jié)論

怠速方向盤振動(dòng)問題主要由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激振頻率接近所致。主要解決的思路就是要避開共振頻率段，具體措施就是提升儀表橫梁的剛度。

通過以上的具體實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)于解決怠速方向盤振動(dòng)問題我們總結(jié)出以下幾種方法：

（1）轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁連接處的加固：從案例的實(shí)際測(cè)量中我們可以看出，轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁的鏈接方式對(duì)系統(tǒng)模態(tài)影響較大。有限元分析過程中，我們會(huì)將螺栓鏈接部位等效成剛性連接所以在計(jì)算中產(chǎn)生誤差，無法正確估計(jì)其應(yīng)力及變形。所以需要以實(shí)際測(cè)量值核試驗(yàn)的方法為主進(jìn)行改進(jìn)。

（2）儀表橫梁本身的加強(qiáng)：儀表橫梁是轉(zhuǎn)向管柱及方向盤支撐的載體，其強(qiáng)度直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。可以采用有限元分析與具體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行改進(jìn)。

（3）采用客觀測(cè)量與主觀評(píng)價(jià)的方法：針對(duì)振動(dòng)方面的舒適性評(píng)價(jià)需要將主客觀相結(jié)合才可以正確衡量其舒適性。觀評(píng)價(jià)可以體現(xiàn)駕駛員的主管感受，客觀測(cè)量可以驗(yàn)證主觀感受并提供改進(jìn)的方向。兩者相結(jié)合才能更好的解決實(shí)際問題。

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