某轻型客车方向盘抖动分析及优化研究

前言

随着汽车行业的发展及人民生活水平的提高，消费者在购买汽车时，越来越重视汽车NVH（噪声、振动、声振粗糙度），因此，汽车厂商也在努力降低车内的噪声与振动，提升汽车NVH性能。

方向盘是汽车转向系统的一个重要组成部分，驾驶员长期直接接触方向盘，其振动能量直接传递到驾驶员的手和胳膊等部位，严重影响驾驶员的健康和情绪[1]。

汽车怠速是很常用的一种工况，如果方向盘振过大，会导致用户产生不舒适的感觉，从而影响顾客体验，进而影响用户口碑及购买力，因此方向盘抖动的控制极其重要，很多汽车厂商都致力于降低方向盘抖动，提升客户满意度。

本文研究某轻型客车怠速方向盘抖动问题，针对该问题进行了实车测试，建立仿真模型并与实验结果对标，在此基础上，提出优化方案，并最终实车验证优化效果。

1 方向盘怠速抖动机理

方向盘的固有特性一般与整个转向系统有关，转向系统一般包括方向盘、转向管柱、车身横梁、转向机及仪表系统。

汽车怠速时，车辆处于静止状态，只有发动机在工作，故激励源来自发动机，引起方向盘抖动的原因是怠速时发动机激励通过悬置、车身、悬架等传递给转向系统，进而传递至方向盘，如果方向盘的固有频率与发动机激励频率耦合，则极易产生振动放大现象，因此，避免发动机的主要激励频率与方向盘的固有频率耦合是控制汽车方向盘抖动的关键。一般情况下，同一款发动机的怠速主要激励频率是固定的，而方向盘的固有频率也可以通过合理的结构设计控制。发动机怠速时的激励主要为二阶往复惯性力，该激励频率与发动机转速、缸数及冲程数有关，计算公式为：

（1）

式中：

n为发动机转速；

Z为发动机气缸数；

方向盘的固有频率与结构及材料有关系，理论计算公式为：

（2）

其中：

K为系统刚度；

M为系统质量；

一般方向盘的固有频率通过CAE仿真或试验测试得到。

大部分四缸四冲程发动机的怠速转速为700-1000rpm，对应怠速激励频率为23-30HZ，为避免方向盘在怠速时发生频率耦合而使振动放大的现象，一般要求方向盘的固有频率比发动机二阶激励高5-8Hz。

该轻型客车怠速时发动机转速为750rpm左右。匹配直列四缸四冲程柴油发动机，此类发动机活塞往复运动的二阶惯性力是主要外力[2]。

2 某轻型客车怠速方向盘抖动

2.1 方向盘抖动问题分析

某轻型客车匹配柴油四缸四冲程发动要，怠速关空调时转速为750rpm，主观评估该车型怠速时方向盘抖动较为明显。通过客观测试得到方向盘X\Y\Z方向的振动加速度值。

图1 怠速方向盘加速度振动量

图2 方向盘X/Y向模态测试结果

初步怀疑方向盘固有频率与发动机二阶激励耦合导致振动放大，因此采用锤击法测试该车方向盘固有频率：X：25.4Hz；Y：27 .4Hz。

根据发动机转速可以换算出该发动机的二阶激励频率为25Hz（不开空调）、26.7 Hz（开空调）。

因此得出该车方向盘X\Y方向的固有频率与发动机二阶激励频率耦合，导致振动偏大，初步优化的目标是将方向盘的固有频率提升至30Hz以上优化解决该抖动问题。

2.2 方向盘仿真模型建立

根据有限元理论，建立方向盘仿真模型，该模型包括车身、转向管柱、方向盘、车身横梁，为减小计算量，可考虑将一些不影响计算精度的零件简化配重处理（如线束、电子锁、皮革等），同时需保证仿真模型与实物一致，建立好的方向盘有限元模型如图3所示：

图3 转向系统CAE模型

分析得到的方向盘X向模态为24.56Hz，Y向模态为27.83 Hz，与测试结果较为接近。说明仿真模型的准确性，可用于下一步的优化分析。

图4 方向盘X向模态频率云图

根据仿真分析结果，结合应变能云图，发现几个薄弱区域：1）横梁与转向管柱连接支架；2）转向管柱本身；3）横梁与车身前围连接处；

2.3 方向盘抖动优化设计

结合工程可行性，对以上薄弱区域进行优化，优化的原则为：（1）保证大的结构件不重开模具，尽量通过增加支架、或个别调整料厚、增加连接来进行加强；（2）在满足要求的前提下，增加的成本最少。

文章来源：《中国测试》 网址: http://www.zgcszzs.cn/qikandaodu/2021/0216/536.html