王 紅

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510075）

某輕卡方向盤(pán)怠速抖動(dòng)控制研究

王 紅

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510075）

文章針對(duì)某輕卡在怠速開(kāi)空調(diào)工況下方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)方向盤(pán)振動(dòng)測(cè)試與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試，分析并確定了方向盤(pán)抖動(dòng)原因。利用有限元方法計(jì)算分析了主要零件參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率的影響靈敏度，最終提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了樣件試制與裝車，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題顯著改善。

方向盤(pán)；怠速抖動(dòng)；控制；靈敏度分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)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

影響輕卡駕駛舒適性的關(guān)鍵因素是駕駛室及相關(guān)零部件的異常振動(dòng)，其中方向盤(pán)是駕駛員直接接觸的零件，其振動(dòng)能量直接傳遞到駕駛員的手和胳膊等部位，影響駕駛員的健康和情緒[1][2]。怠速是汽車常用工況，因此，怠速方向盤(pán)抖動(dòng)是必須控制的 NVH問(wèn)題。振動(dòng)控制一般有兩個(gè)方面：控制振源和控制振動(dòng)響應(yīng)端的響應(yīng)特性。對(duì)于方向盤(pán)來(lái)說(shuō)，振源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)、重要附件、傳動(dòng)系統(tǒng)和路面等，一般控制難度較大。輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)普遍簡(jiǎn)單，從改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，是控制方向盤(pán)振動(dòng)的有效而簡(jiǎn)捷的方法。

本文所研究樣車為某國(guó)產(chǎn)品牌輕卡，其在怠速開(kāi)啟空調(diào)狀態(tài)下方向盤(pán)抖動(dòng)劇烈，手觸及時(shí)有發(fā)麻感覺(jué)，且有重影現(xiàn)象。本文針對(duì)方向盤(pán)異常抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試、診斷、仿真與分析。

1 試驗(yàn)測(cè)試與診斷

1.1 方向盤(pán)振動(dòng)測(cè)試

樣車怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為850r/min左右，開(kāi)啟空調(diào)后轉(zhuǎn)速升高到940 r/min左右。樣車所裝備發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸柴油機(jī)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的二階慣性力是主要外力[3][4]，空調(diào)系統(tǒng)裝備10缸定排量壓縮機(jī)，活塞對(duì)向布置，其主要激勵(lì)力是活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一階慣性力，壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸速比是1.22，因此，壓縮機(jī)的主要激勵(lì)力相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)階次是12.2 階[5]。

首先定義方向盤(pán)坐標(biāo)系，定義盤(pán)面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，前方12點(diǎn)鐘方向?yàn)閄軸（與方向盤(pán)面平行），Y軸與整車坐標(biāo)系Y軸平行，指向左側(cè)，Z軸垂直于X、Y軸組成的平面。在方向盤(pán)坐標(biāo)系原點(diǎn)處布置三向加速度傳感器，如圖1所示。測(cè)量怠速開(kāi)空調(diào)工況方向盤(pán)振動(dòng)頻譜圖，圖2所示為Y向測(cè)試結(jié)果，其它兩個(gè)方向與Y向相似。

圖1 方向盤(pán)處振動(dòng)加速度傳感器布置

振動(dòng)峰值頻率為31.3Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率重合。根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)速比及缸數(shù)，計(jì)算壓縮機(jī)激勵(lì)主頻率為191Hz，圖2中，對(duì)應(yīng)191Hz的峰值較小，因此可以說(shuō)明，方向盤(pán)處振動(dòng)主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)，而與壓縮機(jī)激勵(lì)關(guān)系不大。

圖2 怠速開(kāi)空調(diào)工況方向盤(pán)振動(dòng)加速度頻譜（938.7 r/min）

為進(jìn)一步診斷振動(dòng)原因，測(cè)量了定置發(fā)動(dòng)機(jī)勻加轉(zhuǎn)速工況方向盤(pán)處的振動(dòng)，其階次跟蹤如圖3所示?？梢?jiàn)振動(dòng)主階次為發(fā)動(dòng)機(jī)二階，且在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速940 r/min附近出現(xiàn)峰值，與怠速開(kāi)空調(diào)工況下數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)。圖3中還可以看出，其它轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)引起的振動(dòng)相對(duì)較弱。因此，懷疑方向盤(pán)在該轉(zhuǎn)速下異常抖動(dòng)的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振。

為此，需對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行固有頻率測(cè)試與分析。

圖3 定置勻加轉(zhuǎn)速工況方向盤(pán)振動(dòng)加速度階次跟蹤圖

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試與分析

為反應(yīng)真實(shí)情況，測(cè)量整車約束狀態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)，試驗(yàn)方法采用錘擊法[6][7]。在方向盤(pán)上布置 7個(gè)三向加速度傳感器，如圖4所示，在轉(zhuǎn)向柱管上布置5個(gè)三向加速度傳感器。力錘的激勵(lì)點(diǎn)選擇在轉(zhuǎn)向柱管靠近方向盤(pán)坐標(biāo)原點(diǎn)位置，測(cè)得各個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)后，計(jì)算獲得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率為31.6Hz，如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試傳感器布置

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率與怠速開(kāi)空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率非常接近，由此判斷方向盤(pán)異常振動(dòng)原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)(31.6Hz)

2 方向盤(pán)抖動(dòng)的控制方案

明確方向盤(pán)抖動(dòng)的原因后，擬采取的控制方案是改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率，如果降低其模態(tài)頻率，容易發(fā)生怠速（關(guān)閉空調(diào)）共振，因此，應(yīng)采取能夠提高其一階模態(tài)頻率的措施。

能夠影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)的零件包括方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱管—車身連接支架、轉(zhuǎn)向柱管、轉(zhuǎn)向柱等，而且這些零件對(duì)一階模態(tài)影響的靈敏度不同，為了提出更有針對(duì)性的方案，需對(duì)上述零件參數(shù)的模態(tài)靈敏度進(jìn)行分析和排序。

表1 模態(tài)靈敏度

首先建立了包括部分車身在內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型[8]，如圖6所示。以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要零件參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以總成質(zhì)量增加不超過(guò) 5%為約束條件，以一階固有頻率最大為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用 OptiStruct軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)頻率對(duì)各參數(shù)的模態(tài)靈敏度[9]，如表1所示。

根據(jù)表1所示的一階模態(tài)靈敏度排序，在有限元軟件中，重新設(shè)計(jì)并延長(zhǎng)了連接支架長(zhǎng)度，如圖7所示。對(duì)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重新進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算，結(jié)果表明，第一階模態(tài)頻率提高至40.9Hz。

圖6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型

圖7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車身連接支架

圖8 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及儀表板支架總成有限元模態(tài)計(jì)算(40.9Hz)

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算結(jié)果，重新設(shè)計(jì)并試制了轉(zhuǎn)向柱管連接支架，如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)向管柱連接支架強(qiáng)化

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

首先進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證，試驗(yàn)方法和傳感器布置位置、數(shù)量與前文相同，模態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖10和表2所示。延長(zhǎng)連接支架后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)提高到41.3Hz，對(duì)應(yīng)有限元計(jì)算結(jié)果誤差較小，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)已經(jīng)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率。

為最終確定改進(jìn)效果，對(duì)方案進(jìn)行了整車試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證工況設(shè)定為怠速開(kāi)空調(diào)，傳感器布置于方向盤(pán)坐標(biāo)系原點(diǎn)不變，采集并對(duì)比分析了方向盤(pán)處三個(gè)方向振動(dòng)加速度幅值，如圖11所示?？梢钥闯觯倪M(jìn)后方向盤(pán)三個(gè)方向的振動(dòng)幅值均有所下降。

圖10 加強(qiáng)后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)(41.3Hz)

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率對(duì)比

圖11 改進(jìn)前后方向盤(pán)處振動(dòng)加速度幅值對(duì)比

以《GB/T 14790.1-2009機(jī)械振動(dòng)：人體暴露于手傳振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)》規(guī)定的評(píng)價(jià)方法對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)與對(duì)比，方向盤(pán)振動(dòng)總值如表3所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后怠速開(kāi)空調(diào)工況下方向盤(pán)振動(dòng)總值降低達(dá)71.7%，改進(jìn)效果明顯。

表3 方向盤(pán)振動(dòng)總值

4 結(jié)論

本文針對(duì)某輕卡在怠速開(kāi)空調(diào)工況下方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究，首先測(cè)試并分析了方向盤(pán)振動(dòng)加速度頻譜信號(hào)，排除了空調(diào)壓縮機(jī)的影響，初步確定了異常振動(dòng)來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)；然后進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)測(cè)試，確認(rèn)了方向盤(pán)抖動(dòng)原因是發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振。建立了包含部分車身在內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型，計(jì)算分析了各主要零件參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)頻率影響的靈敏度。最終確定了改進(jìn)方案，并進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證和整車試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)頻率明顯提高，方向盤(pán)抖動(dòng)顯著改善。本文的研究成果和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)槠囅嚓P(guān)零部件共振問(wèn)題提供解決方法和工程參考。

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Steering wheel’s shaking control of a light truck

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

U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-198-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.069

王紅，就職于廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院。