重型卡车怠速方向盘抖动机理研究

赵卫艳，谷雪松，高晓东

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

重型卡车怠速方向盘抖动机理研究

赵卫艳，谷雪松，高晓东

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

为解决重型卡车方向盘怠速抖动问题，对转向系统振动特性进行测试，得出怠速时方向盘振动过大的原因是由于方向盘的固有频率和发动机怠速时的主激励频率接近，引起共振。因此对转向系统方案进行改进，采用有限元分析方法对原方案和改进方案的模态进行仿真分析，验证了方案的可行性。最后经过实车验证，抖动现象消失。

方向盘；怠速；抖动；共振；仿真分析

CLC NO.:U463.4Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-155-03

前言

随着车辆设计水平及人们对乘坐舒适性要求的不断提高，对整车 NVH性能也提出越来越高的要求，因此在车辆开发过程中，要保证车辆的驾乘舒适性，必须在设计开发初期对车身、底盘等各个系统的 NVH特性进行匹配和研究，在此基础上进行结构设计可以避免在车辆成型后为提升NVH性能而不得不进行的大成本调校。例如方向盘在怠速状态下振动的大小就是是衡量振动特性的一个重要指标，怠速状态下方向盘振动严重，不仅会影响驾驶员心情，还可能会影响到驾驶安全性能。如何保证发动机怠速工况下方向盘的振动特性满足要求，避免方向盘振动过大而引起的不舒适，是转向系统研发过程中必须考虑的问题。

怠速工况下，方向盘振动严重的源头是发动机振动，一般引起方向盘振动的直接原因是：1.转向系统的固有频率与发动机激振频率接近发生共振；2.驾驶室本身的固有频率与发动机激振频率接近发生共振，驾驶室振动再通过转向管柱引起方向盘振动；3.发动机悬置隔振率不满足设计指标，甚至是负的隔振率；4.驾驶室悬置隔振率不满足设计指标。

本文采用经验判断、试验和仿真相结合的方法，对方向盘的振动问题进行分析，找到方向盘振动过大的原因，并通过仿真分析对改进方案进行了虚拟验证，最后实车验证，解决了方向盘怠速抖动问题。

1、问题分析

该车辆怠速时方向盘抖动严重，提高发动机转速后抖动消失。在方向盘12点位置（见图1）布置三方向传感器，在发动机怠速工况时测试得到布点位置三向加速度向量和为33.3m/s2（见表1），振动很大。

表1 加速度测试结果

根据经验初步判断为转向系统的某阶模态与发动机激振频率发生共振，根据振动理论，共振时系统的振幅将急剧增加。方向盘、转向管柱、管柱安装处车身结构及相关支架共同组成一个系统，它们的整体模态特性决定了方向盘处振动的固有特性。

为避免改进的盲目性，首先通过简化手段来改变转向系统的模态。模态是机械系统的固有振动特性，由系统的刚度和质量矩阵决定，每一阶模态具有特定的固有频率和振型。因此通过简化方法改变转向系统的刚度或质量从而改变转向系统的模态，状态一是在原状态的基础上，在方向盘上加了一个质量块，增大质量，状态二是断开转向管柱与车身上部连接的两个螺母，减小刚度，目的都是为了减小转向系统的模态，经过实车试验发现怠速时的方向盘抖动问题消失了。状态一和状态二分别见图2和图3。经过测试，两种状态振动加速度都减小，三向加速度向量和结果分别为9.5 m/s2和4.6 m/s2（见表1），状态二方向盘振动幅值减小了86.2%。

图1 方向盘传感器安装位置

图2 状态一

图3 状态二

图4 12点位置传递函数

2、试验测试

通过上述的简单改进和试验测试，可以看出转向系统的模态对振动的影响很大，因此对模态进行了测试。试验采用的是一种快速、经济又简单的锤击法，仪器采用江苏东华的32通道数据采集仪DH5920、单轴向加速度传感器DH112和力锤。在进行转向系统模态测试试验时，采用力锤脉冲激励作为主激励，使用力锤锤击方向盘，力信号经电荷放大器送到信号分析系统，测试系统软件对信号处理得到加速度对力的传递函数，通过对转向系统的模态实验分析可以得到方向盘的固有频率和阵型图。

对三种状态进行分别锤击，得到方向盘频响特性图，即加速度对力的基于频域的传递函数，如图 4，图中纵轴为加速度对激励力的传递函数，单位是g/N，其中g为9.8m/s2。从方向盘频响特性图可以看出，原状态在27.7Hz时有一个峰值存在，而在减少螺母连接和加质量块后频率27.7Hz对应的峰值消失。对原状态的频响特性图曲线进行处理得到模态结果（见图5），转向系统在27.7Hz存在一阶模态，从模态振型可以看出，方向盘和管柱整体在前后方向上运动，方向盘和管柱本身起质量作用，而管柱和驾驶室的连接起刚度作用。

发动机怠速时的激励主要是二阶往复惯性力，频率与发动机的缸数和怠速转速有关。发动机怠速时的激励频率计算公式是：

f=n60×z2

其中：n—发动机怠速转速，r/min；z—发动机气缸数。

该车型发动机怠速转速为 800r/min，激励频率为26.67Hz。因此怠速时方向盘的异常振动由发动机激发转向系统27.7Hz的模态而引起的。

改进该问题可以通过以下方法进行：1.加强方向管柱与驾驶室本体连接部位的刚度，提升转向系统的该阶模态频率；2.减小或加大方向盘本身的质量，改变该阶模态频率；3.降低发动机怠速转速至700 r/min，避开方向盘模态频率。由于发动机的怠速转速是个范围，小范围调整无法避开转向系统的模态频率，因此采用改变该转向系统的模态来解决此项问题。根据产品开发要求，采用第一种方法进行方案改进，即改变转向系统与车身的连接刚度。

图5 27.7Hz方向盘与管柱模态振型

图6 原状态转向系统有 限元模型

3、模态改进和仿真验证

在Hypermesh有限元软件环境下建立原状态转向系统有限元模型（图6），模型包含车身和转向系统，用于计算转向系统的模态。按照车辆实际状态进行建模，包含焊点、焊缝、螺栓、滑动连接、十字轴连接等，同时进行质量配重，保证建立完成的有限元模型与实际模型质量和刚度的一致性。

约束驾驶室前后悬置安装点和转向机与车架安装点，采用 Block Lanczos（分块兰索斯）法进行模态计算。Block Lanczos（分块兰索斯）法采用了Lanczos算法，通过一组向量来实现Lanczos递归计算，适用于大模型的模态求解。使用子空间法和分块兰索斯法去求解同一问题时，两种方法的求解精度相当，但分块兰索斯法收敛速度快，计算时间短。Block Lanczos（分块兰索斯）法采用稀疏矩阵求解器，计算速度较快。本文选用Block Lanczos（分块兰索斯）法对转向系统和车身进行有限元模态分析，提取频率范围1Hz～100Hz，获得转向系统及车身的模态固有频率。提取前十五阶模态，在第六阶26.7Hz时转向系统存在模态（图7），与试验结果吻合，因此根据仿真验证方法对转向系统与车身的连接方案进行整改是可靠的。

图7 原状态转向系统六阶模态阵型

图8 原状态转向系统模型

图9 改进后转向系统模型

图10 改进后转向系统六阶模态阵型

对原方案转向管柱与白车身的连接方案进行加强，钣金件更换为铸铝件，同时增加螺栓连接，原状态与改进后的方案分别见图8和图9。对改进方案按前述约束方法进行模态计算，提取前十五阶模态，模态第六阶频率（图10）由26.7Hz提升到29Hz，避开发动机怠速激励区26.67Hz，实现了模态隔离，改进方案可行。

4、改进方案实车验证

对改进方案进行装车打火试验，发现车辆怠速时的方向盘抖动现象消失，因此方案改进是有效的。

5、结束语

通过简化手段初步判断方向盘抖动的原因，并进行试验测试得到转向系统的振动特性，经过对发动机怠速状态下激励频率的理论分析，得到了发动机的激励频率、转向系统的振动特性参数，找到了怠速时方向盘振动过大的原因，即方向盘振动的固有频率和发动机怠速时的主激励频率很接近，引起转向系统的共振；同时找到解决问题的整改思路，用有限元分析方法对原方案和改进方案进行仿真分析，检验了方案的可行性，最后改进方案经过实车验证，抖动现象消失。因此在车辆开发初期就应研究车辆的NVH特性，从激励源、传递路径到响应，制定各个系统NVH指标，对整车NVH特性进行合理匹配，避免车辆定型后的大成本调校和整改。

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Steering Wheel Wobbling Mechanism Study of a truck

Zhao Weiyan, Gu Xuesong, Gao Xiaodong
( Automobile Engineering Research Institute, Shaanxi Automobile Group Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

In order to solve the steering wheel wobbling at idle speed of a truck, we tested the vibration performance of the steering system, and the result showed that the wheel natural frequency is very near to the main excitation of engine idle speed, then causing resonance vibration. So we improved the steering system program, and analyzed the mode of the optimization and prime program with FEA simulation, to ensure the probability of the optimization program. In the end, the optimization program had been tested on the truck, and the problem of the steering wheel wobbling disappeared.

Steering wheel; Idle speed; Wobbling; Resonance vibration; FEA simulation

U463.4

A

1671-7988 (2017)06-155-03

赵卫艳，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.056