劉全勝　沙迪　田碩　李松

關(guān)鍵詞：方向盤；行駛振動；傳遞路徑；優(yōu)化；Creo 有限元

中圖分類號： U463.4 文獻標識碼：A

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對商用車舒適性的要求越來越高，行駛工況下方向盤振動是汽車 NVH 舒適性的重要評價指標之一，需要在整車研發(fā)過程中優(yōu)先考慮。方向盤直接與駕駛員接觸，若振動偏大會影響行駛舒適性，導致用戶抱怨，造成整車廠品牌形象受損及口碑下降。因此，對行駛工況下方向盤振動的優(yōu)化研究具有重要工程意義。

車輛行駛時，主要的振動源是發(fā)動機、傳動系統(tǒng)以及輪胎傳遞的路面激勵引起。減小傳動系對方向盤振動影響常用的方法有：隔振、減振和使部件避開傳動系的振動頻率段[1]。通過對行駛時方向盤振動的分析，采用客觀參數(shù)測量與整車舒適性評價相結(jié)合的方法，確定方向盤振動原因及改進措施，本文重點考慮避開傳動系振動頻率來提升方向盤振動舒適性。

車輛行駛時，方向盤的振動是由激勵源經(jīng)過傳遞路徑傳遞到方向盤的結(jié)果（圖1），當激勵頻率和方向盤的固有頻率相同或者接近時，方向盤發(fā)生共振，造成振動異常增大[2]。

本文研究課題為某商用車方向盤行駛振動異常問題，總體思路是通過傳遞路徑分析方向盤振動原因，通過CREO 有限元分析工具分析， 提出解決方案， 最終通過驗證， 措施有效。

1 行駛工況方向盤振動傳遞路徑分析

傳遞路徑分析方法，是一種基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)以及疊加原理的激勵源識別方法。它通過分析系統(tǒng)中各個部件之間的振動傳遞關(guān)系，確定主要激勵源和傳遞路徑，為振動優(yōu)化提供科學依據(jù)[3]。在方向盤振動分析中，傳遞路徑分析方法可以通過測量和分析方向盤與汽車其他部件之間的振動傳遞關(guān)系，確定方向盤振動的主要傳遞路徑[4]。傳遞路徑分析的基本步驟如下。

（1）確定測試對象和測試工況：根據(jù)研究目的和實際情況，選擇需要測試的方向盤和其他相關(guān)部件，并確定測試工況。

（2）采集振動數(shù)據(jù)：利用數(shù)據(jù)采集設備，對方向盤和其他相關(guān)部件的振動數(shù)據(jù)進行采集。

（3）數(shù)據(jù)分析：利用傳遞路徑分析軟件，對采集到的振動數(shù)據(jù)進行處理分析，確定主要傳遞路徑和激勵源。

（4）結(jié)果驗證：通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，驗證分析結(jié)果的準確性。

通過分析可以明確方向盤振動的主要傳遞路徑和激勵源，為后續(xù)的振動優(yōu)化提供重要依據(jù)。例如，發(fā)現(xiàn)振動主要來源于發(fā)動機或傳動系統(tǒng)，可以通過改進這些部件的結(jié)構(gòu)設計或調(diào)整其工作參數(shù)來降低振動傳遞；發(fā)現(xiàn)振動傳遞路徑中存在薄弱環(huán)節(jié)，可以通過加強該環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)剛度或添加阻尼材料來降低振動傳遞[5]。

1.1 行駛工況傳遞路徑測試

在進行傳遞路徑測試時，首先明確傳遞路徑測試的點，行駛工況下，本文分別選取以下6 個點布置加速度傳感器進行測試。其中，1 點和2 點分別位于儀表板橫梁位置和轉(zhuǎn)向柱固定支架；3點和4 點分別位于轉(zhuǎn)向柱下點和轉(zhuǎn)向柱上點，5 點和6 點分別位于轉(zhuǎn)向柱中心點和方向盤12 點位置（圖2）。

1 行駛工況方向盤振動傳遞路徑分析

傳遞路徑分析方法，是一種基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)以及疊加原理的激勵源識別方法。它通過分析系統(tǒng)中各個部件之間的振動傳遞關(guān)系，確定主要激勵源和傳遞路徑，為振動優(yōu)化提供科學依據(jù)[3]。在方向盤振動分析中，傳遞路徑分析方法可以通過測量和分析方向盤與汽車其他部件之間的振動傳遞關(guān)系，確定方向盤振動的主要傳遞路徑[4]。傳遞路徑分析的基本步驟如下。

（1）確定測試對象和測試工況：根據(jù)研究目的和實際情況，選擇需要測試的方向盤和其他相關(guān)部件，并確定測試工況。

（2）采集振動數(shù)據(jù)：利用數(shù)據(jù)采集設備，對方向盤和其他相關(guān)部件的振動數(shù)據(jù)進行采集。

（3）數(shù)據(jù)分析：利用傳遞路徑分析軟件，對采集到的振動數(shù)據(jù)進行處理分析，確定主要傳遞路徑和激勵源。

（4）結(jié)果驗證：通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，驗證分析結(jié)果的準確性。

通過分析可以明確方向盤振動的主要傳遞路徑和激勵源，為后續(xù)的振動優(yōu)化提供重要依據(jù)。例如，發(fā)現(xiàn)振動主要來源于發(fā)動機或傳動系統(tǒng)，可以通過改進這些部件的結(jié)構(gòu)設計或調(diào)整其工作參數(shù)來降低振動傳遞；發(fā)現(xiàn)振動傳遞路徑中存在薄弱環(huán)節(jié)，可以通過加強該環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)剛度或添加阻尼材料來降低振動傳遞[5]。

1.1 行駛工況傳遞路徑測試

在進行傳遞路徑測試時，首先明確傳遞路徑測試的點，行駛工況下，本文分別選取以下6 個點布置加速度傳感器進行測試。其中，1 點和2 點分別位于儀表板橫梁位置和轉(zhuǎn)向柱固定支架；3點和4 點分別位于轉(zhuǎn)向柱下點和轉(zhuǎn)向柱上點，5 點和6 點分別位于轉(zhuǎn)向柱中心點和方向盤12 點位置（圖2）。

定義方向盤坐標系：方向盤中心點定義為原點O ；X 軸定義為方向盤平面與整車縱向平面的交線，規(guī)定汽車前進方向反方向為正；與整車坐標系Y 軸平行定義為方向盤Y 軸，右為正；與方向盤平面垂直為Z 軸，向上為正。表1 為80 km/h 等速工況下振動測試結(jié)果，表中X、Y、Z 數(shù)值為各方向加速度（g）值，總值為各個方向振動值平方和的平方根值，稱為RSS 值，如公式1 所示。

通過對比表1 中數(shù)值可知，某商用車行駛時方向盤振動傳遞過程中，在方向盤位置明顯放大，尤其在Z 向振動最為突出，接下來重點研究Z 向突變原因。

通過進一步分析各點在0 ～ 200.0 Hz 的Z 向振動頻譜圖可以看出（圖3），在42.0 Hz 附近，方向盤本體明顯產(chǎn)生共振放大現(xiàn)象。

為排除發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及行駛速度對方向盤振動影響，項目團隊分別在不同轉(zhuǎn)速、不同車速以及不同擋位下進行行駛工況傳遞路徑分析，分析方向盤12 點位置在80 km/h、70 km/h、60 km/h 和50 km/h 速度工況下頻譜圖，結(jié)果顯示發(fā)動機轉(zhuǎn)速及車速對方向盤本體振動放大無關(guān)。由于激勵頻率在42.0 Hz附近，考慮傳動系統(tǒng)模態(tài)與方向盤模態(tài)的耦合振動。

1.2 方向盤固有模態(tài)測試

經(jīng)過對方向盤本體進行力錘模態(tài)測試，方向盤在Z 向固有頻率為42.0 Hz。根據(jù)以上傳遞路徑試驗結(jié)果，激勵頻率不受車速擋位影響，為系統(tǒng)固定頻率。根據(jù)單自由度隔振效果（圖4），理論上當傳遞率等于1 時，激勵頻率與固有頻率之比為1.414。但是在很多情況下，要考慮40% 以上的頻率間隔幾乎是不可能的。根據(jù)汽車行業(yè)經(jīng)驗，一般要求距離激勵源頻率3.0 Hz 或者間隔15% ～ 20% 的距離可以滿足隔振需求。本文中選擇距離激勵源3.0 Hz 以上，以使方向盤避開傳動系的振動頻率段。

2 方向盤振動優(yōu)化方案

Creo 有限元仿真技術(shù)是一種基于計算機模擬的分析方法，它利用有限元法對復雜結(jié)構(gòu)進行離散化處理，并通過求解離散化后的數(shù)學模型來預測結(jié)構(gòu)的力學行為。在方向盤振動優(yōu)化中，Creo 有限元仿真技術(shù)可以用于建立方向盤的有限元模型，并對其進行模態(tài)分析、頻響分析等，以識別出振動產(chǎn)生的關(guān)鍵因素和敏感區(qū)域。

2.1 Creo 有限元仿真分析

（1）模態(tài)分析：通過模態(tài)分析計算方向盤的固有頻率和振型，了解其振動特性。

（2）頻響分析：在方向盤上施加不同頻率的激勵載荷，通過頻響分析計算其響應特性，并識別出敏感區(qū)域和關(guān)鍵因素。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)仿真分析結(jié)果對方向盤的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以降低其振動響應和提高其舒適性和安全性。

根據(jù)前述試驗以及分析結(jié)果，對方向盤本體模態(tài)進行有限元分析，鑒于方向盤本體發(fā)泡材料模擬分析困難，項目團隊抽取方向盤骨架進行有限元分析。根據(jù)分析值與試驗值進行等效轉(zhuǎn)換，最終使方向盤實際模態(tài)值提升3.0 Hz 以上。用Creo 的Simulate有限元分析模塊對原車方向盤骨架模態(tài)進行分析，按實車狀態(tài)建立方向盤約束模態(tài)有限元模型，部件之間按實車進行連接和重量配重，按實際情況進行邊界約束。分析得到方向盤骨架Z 方向振動頻率為54.4 Hz（圖5），基于試驗模態(tài)42.0 Hz 數(shù)值進行等效轉(zhuǎn)換，得出轉(zhuǎn)換系數(shù)為：

Ｑ =54.4/42.0=1.295

2.2 方向盤傳遞路徑模態(tài)優(yōu)化

基于傳遞路徑分析方法和Creo 有限元仿真技術(shù)的結(jié)果，降低行駛工況下方向盤振動最有效的途徑是隔振、減振和避開激勵頻率。本文通過主要傳遞路徑分析、頻響測試分析以及 CAE 分析，最終確認了方向盤本體產(chǎn)生共振，為傳遞路徑的最后一環(huán)，其中方向盤骨架剛度不足是導致方向盤振動的最主要原因。本文提出了以下針對方向盤振動的優(yōu)化方案。

（1）加強主要傳遞路徑的結(jié)構(gòu)剛度：通過增加結(jié)構(gòu)件厚度、添加加強筋等方式提高主要傳遞路徑的結(jié)構(gòu)剛度以降低振動傳遞。

（2）調(diào)整方向盤的模態(tài)頻率：通過改變結(jié)構(gòu)尺寸、添加質(zhì)量塊等方式，調(diào)整方向盤的模態(tài)頻率以避免與發(fā)動機等激勵源的頻率重疊，從而減少共振現(xiàn)象。

（3）改進安裝方式和連接件設計：優(yōu)化方向盤與汽車其他部件的安裝方式和連接件設計，以減少因安裝不當或連接件松動導致的振動傳遞。

進一步通過Creo Simulate 有限元分析模塊，對方向盤骨架底板厚度進行有限元敏感度分析，結(jié)果顯示方向盤骨架底座剛度對方向盤整體模態(tài)提升至關(guān)重要。將底板厚度設置為變量，輸出模態(tài)隨底板厚度變化趨勢，最終得出當?shù)装搴穸葹? mm 時骨架Z 向模態(tài)值為59.5 Hz。骨架Z 向模態(tài)值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)Q，得出方向盤本體模態(tài)為45.9 Hz，比原方案大3.5 Hz 左右，滿足提升要求。

綜合以上計算結(jié)果，只要方向盤骨架Z 向模態(tài)滿足58.3 Hz以上頻率，就可以滿足提升3.0 Hz 要求。

3 優(yōu)化方案驗證

為了驗證優(yōu)化方案的有效性，本文進行了試驗驗證。首先按照優(yōu)化方案對方向盤進行改進設計并制造樣品；然后在相同的測試工況下對改進后的方向盤進行振動測試；最后將測試結(jié)果與優(yōu)化前的結(jié)果進行對比分析。從試驗結(jié)果可知，優(yōu)化后方向盤12 點位置的振動加速度總值由原來的5.74/（m/s2）降到了3.16（m/s2），降幅達到45%，舒適性大幅提高。

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的方向盤在振動性能上有了顯著提高，具體表現(xiàn)為振動幅值降低、振動頻率分布更加合理等。這說明本文提出的優(yōu)化方案是有效的，并且為類似產(chǎn)品的振動優(yōu)化提供了有價值的參考。同時，項目團隊還對優(yōu)化后的方向盤進行了長期跟蹤測試，以驗證其在實際使用中的穩(wěn)定性和可靠性。測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的方向盤在長期使用過程中仍能保持較好的振動性能，證明了優(yōu)化方案的有效性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文針對行駛工況下某商用車方向盤振動異常增大問題，通過傳遞路徑、頻響測試及CAE 分析，判斷出方向盤Z 向固有頻率與傳動系統(tǒng)頻率耦合共振。運用有限元方法，快速尋找到降低方向盤振動的優(yōu)化方案，最后根據(jù)提出的優(yōu)化方案制作樣件并裝車驗證。試驗結(jié)果表明。優(yōu)化方案能夠有效地降低方向盤的振動，主觀評價達到設定目標。將有限元方法與試驗測試方法有效結(jié)合，可以準確找到問題原因并快速提出解決問題的優(yōu)化方案，大大縮短問題解決時間。

作者簡介：

劉全勝，本科，工程師，研究方向為汽車設計。