楊年炯, 楊藝豪, 徐前亮

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006;2.東風(fēng)柳州汽車有限公司, 廣西 柳州 545005)

汽車平順性是保持汽車在行駛過(guò)程中乘員所處振動(dòng)環(huán)境具有一定舒適度和保持貨物完好的性能[1]。目前,越來(lái)越多的用戶及廠家關(guān)注商用車駕駛室的乘坐舒適性。轉(zhuǎn)向盤(pán)的振動(dòng)是用戶可直接感知且感知最多、最明顯的振動(dòng),降低汽車轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)是保證汽車平順性的重要手段。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車身相連,傳遞到車身上的振動(dòng)均有可能傳遞到轉(zhuǎn)向盤(pán)上,從而引起轉(zhuǎn)向盤(pán)異常振動(dòng)。部分學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究,如劉明等采用模態(tài)分析法分析汽車制動(dòng)引起轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)的原因,通過(guò)改變控制臂襯套剛度、懸架系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài),有效縮短了振動(dòng)頻域,降低了轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)幅度[2];何水龍等建立發(fā)動(dòng)機(jī)懸置優(yōu)化模型,基于多目標(biāo)融合粒子群優(yōu)化方法得到了最優(yōu)懸置系統(tǒng)參數(shù),優(yōu)化改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)隔振率在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都明顯提高,解決了轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速抖動(dòng)嚴(yán)重的問(wèn)題[3];郭一鳴等采用基于魯棒性的設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)動(dòng)力吸振器,并采用基于6sigma的多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法對(duì)動(dòng)力吸振器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,有效降低了轉(zhuǎn)向盤(pán)的振動(dòng)[4];劉鵬等通過(guò)CAE仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)動(dòng)力總成懸置襯套進(jìn)行調(diào)整,將轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)降低到可接受范圍[5];趙濤等通過(guò)CAE仿真和ODS (Operational Deflection Shapes) 試驗(yàn)分析轉(zhuǎn)向盤(pán)的振動(dòng)幅值、頻率、傳遞路徑及影響因素的貢獻(xiàn)度,并據(jù)此制定改進(jìn)措施解決某車型轉(zhuǎn)向盤(pán)擺振問(wèn)題[6]。這些研究可為解決汽車轉(zhuǎn)向盤(pán)異常抖動(dòng)問(wèn)題提供有益參考。本文針對(duì)某型號(hào)商用車怠速工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題,對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行傳遞路徑分析,通過(guò)CAE分析及試驗(yàn),查找造成轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)過(guò)大的主要原因,探討改進(jìn)措施降低轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速振動(dòng)加速度,解決轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速抖動(dòng)問(wèn)題。

1 轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速抖動(dòng)分析

1.1 問(wèn)題描述

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù),某型號(hào)商用車的怠速抖動(dòng)故障率為32點(diǎn)/(100 臺(tái)),即每100臺(tái)車中有32臺(tái)存在怠速抖動(dòng)現(xiàn)象。進(jìn)一步對(duì)怠速抖動(dòng)的故障表現(xiàn)形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì),在存在怠速抖動(dòng)問(wèn)題的該型商用車中抽樣100臺(tái),跟蹤怠速抖動(dòng)的故障部位,結(jié)果顯示:100臺(tái)車中,81臺(tái)存在轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)故障,10臺(tái)存在擋泥板抖動(dòng)故障,5臺(tái)存在后視鏡抖動(dòng)故障,4臺(tái)存在座椅抖動(dòng)故障。該型商用車怠速抖動(dòng)主要表現(xiàn)為怠速時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)。

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中,怠速工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)產(chǎn)生明顯抖動(dòng),雙手扶轉(zhuǎn)向盤(pán)有明顯的振動(dòng)感覺(jué),駕乘舒適性較差,嚴(yán)重影響用戶的駕乘體驗(yàn)。

1.2 傳遞路徑分析

復(fù)雜系統(tǒng)受到多種振動(dòng)和噪聲源的激勵(lì),各種激勵(lì)通過(guò)不同路徑經(jīng)衰減后傳遞到多個(gè)響應(yīng)點(diǎn)。為有效降低振動(dòng)和噪聲,有必要分析和預(yù)測(cè)振動(dòng)傳遞路徑。

根據(jù)該型號(hào)商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及布置(見(jiàn)圖1),振動(dòng)傳遞路徑有2條:分別為激勵(lì)源(發(fā)動(dòng)機(jī))→車架→轉(zhuǎn)向器→萬(wàn)向節(jié)→轉(zhuǎn)向柱(轉(zhuǎn)向軸)→轉(zhuǎn)向盤(pán)(路徑一)、激勵(lì)源(發(fā)動(dòng)機(jī))→駕駛室前圍鈑金→轉(zhuǎn)向柱支座→轉(zhuǎn)向柱(轉(zhuǎn)向軸)→轉(zhuǎn)向盤(pán)(路徑二)。

圖1 某型號(hào)商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及布置

現(xiàn)場(chǎng)將10臺(tái)故障車的轉(zhuǎn)向柱與連接桿部位斷開(kāi)(見(jiàn)圖2 ),轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)無(wú)明顯減輕,說(shuō)明振動(dòng)并非通過(guò)路徑一傳遞至轉(zhuǎn)向盤(pán)。初步考慮為振動(dòng)通過(guò)路徑二傳遞至轉(zhuǎn)向盤(pán),由于發(fā)動(dòng)機(jī)隔振率差,發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)通過(guò)懸置系統(tǒng)、車架、前圍鈑金、轉(zhuǎn)向柱支座傳遞至轉(zhuǎn)向柱,引起轉(zhuǎn)向柱振動(dòng),再傳遞至轉(zhuǎn)向盤(pán),造成轉(zhuǎn)向盤(pán)異常抖動(dòng)。

圖2 斷開(kāi)部位示意圖

初步判斷造成發(fā)動(dòng)機(jī)隔振率差和轉(zhuǎn)向柱振動(dòng)的原因?yàn)?1) 駕駛室前圍鈑金強(qiáng)度不足,引起轉(zhuǎn)向柱振動(dòng),進(jìn)一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng);2) 轉(zhuǎn)向柱支座強(qiáng)度不夠,引起轉(zhuǎn)向柱振動(dòng),進(jìn)一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng);3) 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度過(guò)大,發(fā)動(dòng)機(jī)隔振率差,使振動(dòng)傳遞至轉(zhuǎn)向盤(pán),導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)。

2 降低轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速抖動(dòng)的改進(jìn)方案

針對(duì)上述造成轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速抖動(dòng)的原因,分析并制定解決方案。

2.1 增加駕駛室前圍鈑金加強(qiáng)板

圖3為原車駕駛室前圍鈑金的三維幾何模型。駕駛室前圍鈑金與轉(zhuǎn)向柱通過(guò)支座連接,若強(qiáng)度不足,將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向柱振動(dòng)加劇。對(duì)此提出在駕駛室前圍鈑金增加加強(qiáng)板的改進(jìn)方案?？紤]到工藝限制和制造成本增加,僅在與轉(zhuǎn)向柱支座連接處增加加強(qiáng)板。圖4為改進(jìn)后局部視圖。

圖3 駕駛室前圍鈑金三維模型

圖4 駕駛室前圍鈑金與轉(zhuǎn)向柱支座連接處增加加強(qiáng)板

利用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)通過(guò)轉(zhuǎn)向柱支座連接駕駛室前圍鈑金形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果如下:前圍鈑金增加加強(qiáng)板后,模態(tài)頻率由改進(jìn)前的24.2 Hz提高至26.9 Hz(見(jiàn)圖5)。模態(tài)頻率有所提高,有利于避開(kāi)共振頻率。

圖5 增加駕駛室前圍鈑金加強(qiáng)板后的模態(tài)分析結(jié)果

2.2 增加轉(zhuǎn)向柱支座加強(qiáng)筋

轉(zhuǎn)向柱支座連接前圍鈑金與轉(zhuǎn)向柱,原車的轉(zhuǎn)向柱支座有1條加強(qiáng)筋。按原車的結(jié)構(gòu)尺寸,在CATIA軟件中分別建立無(wú)加強(qiáng)筋、1條加強(qiáng)筋(原車狀態(tài))、2條加強(qiáng)筋(改進(jìn)狀態(tài))的轉(zhuǎn)向柱支座三維幾何模型(見(jiàn)圖6),對(duì)3種轉(zhuǎn)向柱支座進(jìn)行模態(tài)分析,模態(tài)頻率見(jiàn)表1。

表1 3種形式轉(zhuǎn)向柱支座的模態(tài)頻率

圖6 不同形式轉(zhuǎn)向柱支座三維模型

由表1可知:去掉加強(qiáng)筋時(shí),轉(zhuǎn)向柱支座的一階、二階模態(tài)頻率與原車相比有所降低,容易產(chǎn)生共振;增加1條加強(qiáng)筋,使轉(zhuǎn)向柱支座具有2條加強(qiáng)筋,一階、二階模態(tài)頻率與原車相比有所提高,可降低共振風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 降低懸置軟墊剛度

隔振率為過(guò)濾、隔離振動(dòng)的能力,隔振率越高,隔振性能越好。

該車型發(fā)動(dòng)機(jī)采用三點(diǎn)懸置形式。使用振動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)原車隔振率進(jìn)行測(cè)量,考察發(fā)動(dòng)機(jī)前懸軟墊、左右后懸軟墊的隔振性能(見(jiàn)圖7),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知:怠速工況(650 r/min)下,左右后懸軟墊的隔振率均低于80%,其中左后懸軟墊的隔振率僅為61%,隔振性能較差。

圖7 懸置軟墊隔振性能的測(cè)量

圖8 左右后懸軟墊隔振率測(cè)試結(jié)果

為增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的隔振效果,提高隔振率,將剛度820 N/mm的懸置軟墊更換為剛度525 N/mm的軟墊。圖9為新舊軟墊實(shí)物圖。

圖9 新舊軟墊實(shí)物

3 改進(jìn)方案試驗(yàn)分析

根據(jù)上述方案對(duì)實(shí)車進(jìn)行改進(jìn),并進(jìn)行試驗(yàn)分析,檢驗(yàn)改進(jìn)方案的效果。

3.1 駕駛室前圍鈑金的改進(jìn)測(cè)試

按照改進(jìn)方案增加駕駛室前圍鈑金加強(qiáng)板后進(jìn)行試驗(yàn),改進(jìn)前后轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)加速度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10可知:650 r/min怠速工況下,轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)加速度由原10 m/s2降至改進(jìn)后的5.3 m/s2,怠速工況下振動(dòng)有所改善。

圖10 改進(jìn)前后轉(zhuǎn)向盤(pán)12點(diǎn)振動(dòng)加速度

3.2 轉(zhuǎn)向柱支座的改進(jìn)測(cè)試

分別將原轉(zhuǎn)向柱支座(1條加強(qiáng)筋)和改進(jìn)后轉(zhuǎn)向柱支座(2條加強(qiáng)筋)裝車進(jìn)行試驗(yàn),轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。從圖10可以看出:轉(zhuǎn)向柱支座強(qiáng)度增強(qiáng)后,在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)加速度均有所降低,其中650～800 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)尤為明顯,怠速工況下振動(dòng)加速度由10 m/s2降至4.4 m/s2。

3.3 懸置軟墊的改進(jìn)測(cè)試

將不同剛度的新舊懸置軟墊裝車進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試其隔振率,結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖10、圖11可知:減小軟墊剛度后,轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)加速度降低,由10 m/s2降至3 m/s2;左右后懸軟墊的隔振率較舊軟墊的隔振率均有所提高,怠速工況下隔振率接近90%,有效隔離了振動(dòng)的傳遞。實(shí)車試驗(yàn)中,將50臺(tái)車更換為剛度較小的軟墊,測(cè)試發(fā)現(xiàn)僅2臺(tái)車發(fā)生抖動(dòng),故障率為4點(diǎn)/(100 臺(tái))。說(shuō)明懸置軟墊剛度對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)有顯著影響,剛度過(guò)大是造成轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)的主要原因之一。

圖11 改進(jìn)前后左右后懸軟墊隔振率對(duì)比

3.4 綜合改進(jìn)測(cè)試

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,怠速工況下,前圍鈑金加強(qiáng)、轉(zhuǎn)向柱支座加強(qiáng)、軟墊剛度減小3種改進(jìn)措施中每一種措施均對(duì)降低轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)有效。將3種改進(jìn)措施同時(shí)實(shí)施到該型號(hào)商用車上,考察3種措施同時(shí)作用的綜合減振效果,結(jié)果見(jiàn)圖12。由圖12可知:3種措施同時(shí)作用時(shí)的減振效果比任何一種措施單獨(dú)作用時(shí)更佳。在3種措施共同作用下,怠速工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)大幅降低,12點(diǎn)位置處的振動(dòng)加速度由原來(lái)的10 m/s2降至2 m/s2,降幅達(dá)80%,減振效果顯著?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中手扶轉(zhuǎn)向盤(pán)無(wú)振動(dòng)感,解決了轉(zhuǎn)向盤(pán)怠速抖動(dòng)問(wèn)題,改善了駕乘舒適性。

圖12 綜合改進(jìn)的減振效果

4 結(jié)論

通過(guò)分析某型號(hào)商用車怠速工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題,采用振動(dòng)傳遞路徑法進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)駕駛室前圍鈑金強(qiáng)度不足、轉(zhuǎn)向柱支座強(qiáng)度不夠、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度過(guò)大是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)的主要原因。通過(guò)在前圍鈑金與轉(zhuǎn)向柱支座連接處增加加強(qiáng)板、增加轉(zhuǎn)向柱支座加強(qiáng)筋提高強(qiáng)度、更換剛度較小的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊提高隔振率,有效消除了轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)現(xiàn)象,提高了駕乘舒適性。這類改進(jìn)措施對(duì)成本增加的影響微乎其微,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。但采用剛度較小的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊存在動(dòng)力總成跳動(dòng)增大、風(fēng)扇與周邊動(dòng)態(tài)干涉的風(fēng)險(xiǎn),需進(jìn)一步驗(yàn)證。