方向盘橡胶悬置隔振技术研究

杜华蓉，李舜酩，程 春，冷 峻,谭延峥

(1.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016；2.福田雷沃国际重工股份有限公司,山东 潍坊 261000)

车辆振动和噪声是评价车辆舒适性的重要指标。路面激励、发动机激励、车轮不平衡动态力、传动系统不平衡动态力以及其他部件相对运动产生的动态作用力直接或间接作用到车身上，从而引起车身振动[1]。方向盘是驾驶员直接接触的部位，其振动的大小直接影响驾驶的舒适性[2]。拖拉机工作环境恶劣，长时间处于这种环境下会对驾驶员的工作效率和健康产生较大的影响[3]，因此对方向盘振动的研究显得尤为必要，但目前方向盘振动问题还没有得到解决。

杨明亮等结合多体动力学方法，对叉车整车进行结构修改，从而降低其基频及座椅频率，减小振动[4]。海马汽车有限公司等通过调整转向盘和排气系统的模态频率，解决了怠速时方向盘的抖动问题，从而提高了产品品质[5]。周冠等将有限元法和HAM法结合，对某微型车转向系统固有频率进行优化，有效改善了其振动特性[6]。谯万成通过改变转向系统和排气系统的模态频率，使怠速时方向盘抖动降低[7]。Yu Jinghong等通过试验设计过程与仿真分析，分析了制动抖动与转向系摆振对车辆底盘传动机构的影响[8]。Wu Xuting等同样对汽车高速行驶时的方向盘扭振进行了分析，并指出改善方法[9]。Fernholz等对皮带轮进行了有优化设计以改进助力转向泵的NVH性能[10]。方向盘减振方法主要采用的是改变方向盘或者整车的结构参数，进而改变方向盘的固有频率，但是改变方向盘的结构参数可能会影响方向盘的性能，降低方向盘的使用寿命。橡胶悬置不但具有良好的隔振作用，而且不会改变结构的性能，同时它还具有结构紧凑、工艺性好、三向刚度可调以及成本低等优点[11]，因此橡胶悬置可用于方向盘隔振。

1 方向盘振动源识别

1.1 方向盘振动测试实验分析

1.1.1 方向盘振动响应测试实验

实验对象是某型号拖拉机，测试工况为升速工况，测试设备采用LMS公司的Test.Lab数据采集系统。在方向盘上安装三轴加速度传感器，具体安装位置如图1所示。

图1 三轴加速度传感器的安装位置

其中X表示上下方向，Y表示左右方向，Z表示前后方向。由于方向盘振动频率主要集中在低频，所以分析频率范围取0～200 Hz，方向盘各方向振动阶次图如图2所示。

图2 方向盘振动阶次图

由振动阶次图可得，发动机转速在中高速时，方向盘左右方向1.5阶振动最明显，振动频率主要集中在32.51 Hz～40.45 Hz，对应发动机转速范围为1 300 r/min～1 590 r/min。

1.1.2 传递函数测试试验

本实验是用锤击法测量变速箱与方向盘之间的传递函数，测试设备采用LMS公司的Test.Lab数据采集系统。在变速箱侧面安装加速度传感器，方向盘上的加速度传感器安装位置和方向不变。用力锤分别敲击变速箱体的前后、左右、上下三个方向，每个方向传递函数测2次，每次敲击3次取平均，具体锤击位置如图3所示。

图3 变速箱锤击位置

利用软件对实验数据进行处理，可以得到变速箱至方向盘频响函数，如图4所示。

由方向盘频响函数可得，方向盘左右方向振动灵敏度比较大，尤其是在36 Hz附近振动最明显，结合振动阶次分析和转向盘频响函数可以初步判定，

图4 方向盘频响函数

频率在32.51 Hz～40.45 Hz时发动机激励频率与方向盘模态频率接近，从而发生共振。

1.2 理论基础

方向盘系统振动的物理模型为

其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，[F]为激励力矩阵。整个方向盘结构中的阻尼一般比较小，可以忽略。模态分析是对系统固有特性的分析，则模态模型为

计算模态参数需要将物理坐标转换为模态坐标，对质量矩阵以及刚度矩阵进行解耦，其模态坐标为

其中q为模态坐标，φ为振型向量。将式(3)代入式(2)，并且同时左乘振型向量的转置，则式(2)变为

其中 [Mr]=φT[M]φ，[Kr]=φT[K]φ，[Fr]=φT[F]。通过(4)式将多自由度振动系统转化为多个单自由度进行分析，其模态频率与单自由度的模态频率计算方法相同，即

1.3 方向盘模态分析

方向盘模态分析是以整个方向盘系统进行分析[12]，某型号拖拉机的方向盘几何模型如图5所示。

图5 方向盘的几何模型

将几何图形导入Hypermesh软件中进行网格划分，并对该有限元网格模型进行材料以及约束条件的设置，将方向盘底部四个螺栓孔处设置为固定连接，最后由ANSYS软件进行模态计算，计算中取前6阶模态，各阶模态频率和振型如表1所示。

由实验分析可知方向盘在发动机转速范围为1 300 r/min～1 590 r/min时动最明显，激励频带为32.51～40.45 Hz，而方向盘第3阶模态频率(36.8 Hz)正好处于激励频带内，说明实验结果可靠，方向盘振动是由共振引起的。

表1 方向盘的各阶模态频率和模态振型

通过有限元分析和振动测试实验分析得到的结果一致，由于发动机激励频率与方向盘模态频率接近，从而导致方向盘共振。

2 方向盘隔振计算与试验分析

2.1 橡胶悬置的刚度计算

由前面的分析可知，方向盘在32.51 Hz～40.45 Hz频带内振动最为明显，对应于发动机的1.5阶激励频率，因此得到隔振的起始频率为；

由线性隔振理论可得系统的共振频率为

2.1.1 橡胶悬置动刚度计算

悬置动刚度的计算借助ADAMS软件，将方向盘几何模型导入到ADAMS软件中，根据厂商提供的橡胶悬置安装位置添置四个橡胶悬置，四个悬置点的位置信息如表2所示，其中X表示拖拉机前后方向，Y表示左右方向，Z表示上下方向。

表2 悬置点坐标

橡胶悬置各向刚度相同，采用试凑法确定悬置的最大许可动刚度，保证系统的第6阶频率不大于22.99 Hz，最终确定的单个橡胶的最大动刚度为25 N/mm，悬置总动刚度为100 N/mm。

2.1.2 橡胶悬置静刚度计算

橡胶悬置的动静刚度不等，但它们之间存在一定的比值，动静刚度比一般在1.2～2.5，此处取刚度比为1.4，总动刚度取100 N/mm，则悬置的总静刚度为71.43 N/mm。

橡胶悬置时受到的方向盘的压力是156.17 N，根据悬置静刚度，悬置时的静压缩量为2.2 mm，在许可范围内。

2.2 方向盘橡胶悬置实验分析

在方向盘基座处安装4个相同橡胶悬置，其刚度满足计算得到的橡胶悬置刚度，其他条件保持不变，方向盘橡胶悬置总体结构草图以及橡胶悬置结构图如图6所示。

通过软件对实验数据处理，可得方向盘安装橡胶悬置后的振动阶次图，如图7所示。

把图7与图2对比可看出，方向盘各方向振动都有明显减小，方向盘各向振动幅值随转速变化情况如图8所示。

从图8中可以看出：

(1)实施改进方案后，方向盘各向加速度幅值均小于其原状态下的幅值；

(2)1 100 r/min、1 400 r/min及2 200 r/min附近加速度幅值明显降低。

图6 方向盘橡胶悬置

3 结语

(1)当发动机运转速度达到1 300 r/min～1 500 r/min时，发动机激励频率与方向盘固有频率接近，从而导致方向盘共振。通过方向盘振动响应测试实验以及传递函数测试实验得到方向盘在频带32.51～40.45 Hz振动异常，并且通过有限元计算证明此振动异常是由共振引起的。

图7 方向盘振动阶次图

图8 方向盘各方向振动随转速变化曲线

(2)方向盘基座安装橡胶悬置之后隔振效果明显。对方向盘橡胶悬置前后振动幅值进行对比可以发现，方向盘三个方向的振动明显减小，尤其是在发动机转速处于1 100 r/min、1 400 r/min以及2 200 r/min时，加速度振动幅值都减小到原来的1/3。

(3)本文通过在方向盘基座安装橡胶悬置的方法，对方向盘进行隔振。结果表明在方向盘上安装橡胶悬置的隔振方法合理，振幅明显减小，隔振效果明显。本文研究结果可以为今后方向盘隔振方法的研究提供参考。

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