王亞運(yùn) 孫福華

【摘? 要】為有效解決某MPV方向盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)2500r/min時(shí)存在振動(dòng)大問(wèn)題，結(jié)合問(wèn)題現(xiàn)象對(duì)振動(dòng)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(dòng)為發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)經(jīng)右懸置傳遞到方向盤(pán)。通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略避開(kāi)方向盤(pán)振動(dòng)頻率，并對(duì)方向盤(pán)輪圈進(jìn)行優(yōu)化以降低方向盤(pán)盤(pán)體一階模態(tài)幅值。主觀評(píng)價(jià)和實(shí)車(chē)測(cè)試表明，實(shí)施優(yōu)化方案后，方向盤(pán)振動(dòng)明顯降低，問(wèn)題得到有效解決，提升該車(chē)NVH性能表現(xiàn)。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(chē)NVH性能作為衡量汽車(chē)品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，已經(jīng)成為顧客選購(gòu)車(chē)型的重要買(mǎi)點(diǎn)。近些年，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的NVH性能表現(xiàn)有著跨越式提升，這離不開(kāi)國(guó)內(nèi)相關(guān)汽車(chē)行業(yè)從業(yè)人員為改善汽車(chē)性能所做的不斷努力與探索。

一般駕駛工況下，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)內(nèi)駕駛員和乘客可以直接感受到振動(dòng)源并不多，主要來(lái)自于方向盤(pán)、地板、座椅和車(chē)門(mén)內(nèi)板等。方向盤(pán)是駕駛員操縱汽車(chē)最直接的零部件之一，其振動(dòng)表現(xiàn)會(huì)直接影響到駕駛員的操縱舒適度，因此對(duì)方向盤(pán)的振動(dòng)控制向來(lái)都是汽車(chē)性能開(kāi)發(fā)人員的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。當(dāng)前已有不少高端車(chē)型，為了進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下的方向盤(pán)振動(dòng)，率先巧妙地采用了將方向盤(pán)氣囊設(shè)計(jì)為動(dòng)力吸振器的方式，并取得不錯(cuò)的減振效果，提升了整車(chē)NVH品質(zhì)。

方向盤(pán)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一。方向盤(pán)通過(guò)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(chē)身上，而轉(zhuǎn)向機(jī)由轉(zhuǎn)向拉桿與車(chē)輪軸頭相連接。整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車(chē)身的連接比較復(fù)雜，所以當(dāng)發(fā)生方向盤(pán)振動(dòng)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(pán)振動(dòng)的主要激勵(lì)為動(dòng)力總成激勵(lì)和輪胎激勵(lì)，其振動(dòng)傳遞的主要路徑如圖1所示。

1? 方向盤(pán)振動(dòng)機(jī)理分析

1.1? 問(wèn)題描述

某MVP樣車(chē)，在加速行駛過(guò)程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min左右時(shí)，方向盤(pán)存在振動(dòng)大問(wèn)題，影響了駕駛員行車(chē)舒適性。對(duì)該行駛工況進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)打分，得到整車(chē)在加速工況下行駛時(shí)駕駛員對(duì)振動(dòng)的評(píng)價(jià)打分為5.5分（表1），需要優(yōu)化整改。

為了解決該問(wèn)題，使用專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在方向盤(pán)的12點(diǎn)處位置布置振動(dòng)傳感器，采集該工況下方向盤(pán)的振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行處理分析。數(shù)據(jù)顯示，在一定油門(mén)開(kāi)度下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到2500r/min左右時(shí)，方向盤(pán)X向的振動(dòng)加速度幅值達(dá)9.5m/s2（圖2），且振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1.2 問(wèn)題分析

從振動(dòng)傳遞路徑的角度來(lái)分析。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，輪胎快速旋轉(zhuǎn)并受到路面的激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)可能通過(guò)多條路徑傳遞給方向盤(pán)，導(dǎo)致方向盤(pán)振動(dòng)。由于問(wèn)題車(chē)輛為新能源混動(dòng)車(chē)型，評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)當(dāng)該車(chē)在純電EV模式相同車(chē)速下行駛時(shí)，并未出現(xiàn)方向盤(pán)振動(dòng)大的問(wèn)題，結(jié)合方向盤(pán)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)方向盤(pán)的振動(dòng)階次主要表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)（圖3），故排除輪胎的激勵(lì)。

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

經(jīng)對(duì)比動(dòng)力總成各懸置被動(dòng)側(cè)的二階振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置被動(dòng)側(cè)Y向和Z向在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min附近（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)約為83Hz）有著比較明顯的振動(dòng)（圖5）。進(jìn)一步排查，使用模態(tài)采集設(shè)備，對(duì)方向盤(pán)模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得方向盤(pán)盤(pán)體模態(tài)頻率為82Hz，與右懸置被動(dòng)側(cè)的振動(dòng)頻率比較接近。綜上認(rèn)為，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2500r/min附近時(shí)，其二階激勵(lì)在右懸置產(chǎn)生的振動(dòng)與方向盤(pán)模態(tài)頻率耦合，導(dǎo)致方向盤(pán)存在振動(dòng)大問(wèn)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(dòng)源-振動(dòng)傳遞路徑-振動(dòng)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(duì)振動(dòng)源進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激勵(lì)是引起方向盤(pán)振動(dòng)的激勵(lì)源，因此可以調(diào)整加速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，針對(duì)一般加速工況，使得整車(chē)在正常加速時(shí)，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在上升到2500r/min之前開(kāi)始降速換擋，以使其激勵(lì)頻率避開(kāi)方向盤(pán)的模態(tài)頻率。該方案整改難度小，且無(wú)需調(diào)整任何結(jié)構(gòu)，整改費(fèi)用低。但需要考慮整車(chē)加速動(dòng)力性能，在部分加速工況下，如當(dāng)在大油門(mén)加速或者高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍會(huì)通過(guò)2500r/min的共振區(qū)間，導(dǎo)致問(wèn)題復(fù)現(xiàn)。

2）方案2：針對(duì)振動(dòng)傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化?？梢酝ㄟ^(guò)重新調(diào)整懸置參數(shù)，來(lái)降低右懸置被動(dòng)側(cè)的振動(dòng)，也可以對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低懸置被動(dòng)側(cè)到方向盤(pán)的振動(dòng)傳遞靈敏度，但這類(lèi)整改方案周期較長(zhǎng)、費(fèi)用較高。

3）方案3：針對(duì)振動(dòng)響應(yīng)體進(jìn)行優(yōu)化?？梢灾苯觾?yōu)化方向盤(pán)本體，降低其自身的模態(tài)靈敏度幅值。

基于該車(chē)車(chē)型定位和研發(fā)周期，由于方向盤(pán)振動(dòng)為自身模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)激勵(lì)頻率耦合，采用方案1和方案3相結(jié)合的方式，對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。但優(yōu)化時(shí)不僅要考慮方向盤(pán)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(chē)上構(gòu)成的系統(tǒng)模態(tài)頻率變化。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1050r/min，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激勵(lì)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(pán)振動(dòng)問(wèn)題。

結(jié)合有限元仿真分析對(duì)方向盤(pán)盤(pán)體進(jìn)行優(yōu)化，為不改變方向盤(pán)的整體外造型，只對(duì)方向盤(pán)輪圈骨架進(jìn)行優(yōu)化分析，目標(biāo)為使方向盤(pán)盤(pán)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(duì)優(yōu)化后的方向盤(pán)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

制作優(yōu)化后的方向盤(pán)樣件進(jìn)行盤(pán)體模態(tài)測(cè)試，并將結(jié)果與原狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖8所示，優(yōu)化后的方向盤(pán)模態(tài)頻率降低4.3Hz，模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的幅值為原狀態(tài)的45%，滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)。

2.2? 效果驗(yàn)證

將優(yōu)化后的方向盤(pán)以工作狀態(tài)安裝在整車(chē)上，并進(jìn)行實(shí)車(chē)加速工況方向盤(pán)振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)認(rèn)為，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速到2500r/min左右時(shí)，方向盤(pán)振動(dòng)明顯消失，可以接受。該工況下方向盤(pán)振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)打分提升至7.5分。對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)測(cè)試，將測(cè)試數(shù)據(jù)與原狀態(tài)下方向盤(pán)振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖9所示。方向盤(pán)的振動(dòng)幅值由9.5m/s2下降至2.7m/s2，降低幅值達(dá)6.8m/s2。

針對(duì)優(yōu)化后的方向盤(pán)在怠速工況下的振動(dòng)表現(xiàn)情況進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，主觀評(píng)價(jià)認(rèn)為，怠速工況下方向盤(pán)振動(dòng)無(wú)明顯變化且無(wú)問(wèn)題，主觀評(píng)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(duì)比，數(shù)據(jù)顯示，方向盤(pán)振動(dòng)幅值由0.13m/s2變?yōu)?.11m/s2，振動(dòng)幅值變動(dòng)不大，滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某油電混合動(dòng)力MPV為樣本，針對(duì)加速工況下方向盤(pán)振動(dòng)大問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)信號(hào)采集分析，得到方向盤(pán)的振動(dòng)主要表現(xiàn)為二階振動(dòng)。通過(guò)采取“振動(dòng)源-振動(dòng)傳遞路徑-振動(dòng)響應(yīng)體”的排查思路，得出以下方案：①調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速換擋策略以避開(kāi)方向盤(pán)模態(tài)頻率，可以有效避免方向盤(pán)發(fā)生共振；②降低方向盤(pán)的模態(tài)靈敏度幅值，可以有效降低其在共振時(shí)的振動(dòng)幅值。方案經(jīng)主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證有效，為同類(lèi)型的振動(dòng)排查提供了一定的借鑒思路。

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（編輯? 楊? 景）