汽车转向系统低频共振研究

裴继伟 王娟娟

摘要：汽车的各个组成部分中，转向系统的设计是整个底盘设计的重要部分。在全车的NVH性能开发中，转向系统的震动是重要影响因素。转向系统包括转向器、转向传动以及转向操作结构，而转向操作结构包括了方向盘、转向柱和传动轴。汽车转向系统低频共振主要表现就是方向盘共振，汽车在低速行驶时转向盘出现振动，本文就某品牌轿车进行举例说明，简述低频共振的问题产生的原因，通过实验和探究提出解决方案，并且予以验证。

关键词：NVH研究;汽车转向系统;低频共振

引言：  汽车用户对于汽车的性能指标要求中，对于EPS的性能敏感度要求往往是最高的，主要是其优劣会对产品在市场环境中的竞争力直接产生影响。在具体实施整车EPS性能开发的过程中，通常都会将转向系统振动作为一个重要的考量因素。实际上导致转向系统低频振动现象出现的一个主要原因就是发动机怠速激励，而转向系统产生的振动问题，能够被驾驶员直接进行感知，在极大程度上使得车辆的驾驶舒适性产生影响。因此，对于汽车生产领域而言，转向系统设计的科学合理性是极为关键的。

1.汽车转向系统共振问题的分析

转向系统低频共振现象的产生，主要是由于车辆处于怠速状态时，其转向系统当中的频率与发动机产生了怠速激励使得频率发生了耦合而导致的。汽车发动机处于怠速工况下产生的激励，主要会产生往复惯性力，其频率的产生通常与车辆搭载发动机自身的转速及气缸数之间存在关系。一般情况下，乘用车型的发动机怠速转速处于700 r/min～1000 r/min之间，4缸机的激励频率基本上处于23Hz～33Hz之间、6 缸机激励频率基本上处于35Hz～50Hz之间。当汽车处于怠速工况的时候，驾驶员对于转向盘产生的振动强度感受是最为敏感的，通常情况下汽车未经过相关的优化，那么将会使得整车的状态出现转化，不断朝向系统1阶模态转化，这个时候非常容易与4缸发动机的怠速激励频率产生耦合，从而使得转向盘出现低频共振的状况。例如，某辆车的车型空调处于关闭状态下其怠速转速设定为750r/min、其空调处于开启状态下怠速转速设定为850 r/min，其怠速发动机2阶的激励频率检测结果分别为25 Hz与28Hz。该试验样车处于怠速工况下，其转向盘振动试验结果显示，转向盘试验检测方向X为0.39m/s2，试验检测方向为Y为0.34m/s2，试验检测方向Z为0.59m/s2。当此车转向盘处于三向加速度状态下，在28 Hz左右的时候均会产生振动的最大值，当三向加速度值X向处于0.39 m/s2时，其能量和能达到0.59 m/s2，这在主客观评价中均不能够被接受。为了能够更加有效地寻求出转向系统产生共振的主要因素，进而针对转向系统模型展开全面的分析与计算。针对原始转向模型当中所对应的单体及TB级模态频率展开分析，当模态振型TB为横向时其原始模型转向系统为28.4Hz，垂向时其原始模型转向系统为32.1Hz，其目标要求均大于等于38Hz;模型振型为转向管柱单体时，其横向原始模型转向系统为45.5Hz，其垂向原始模型转向系统为50.0Hz，其目标要求均大于等于50Hz。由此可见，该车辆的TB级模态与转向管柱单体模态都不能使目标要求得到满足。针对试验车型低速共振方面的问题，还有后续新车型具体实施开发的过程中所遇到的转向盘共振问题方面，在对转向系统振动问题实际开展研究的时候，主要对CAE分析方法、试验模态分析方法进行了充分的应用。⑴转向系统在结构方面的优化：可通过CAE模型的方式展开分析，进而获得转向盘理论当中的固有频率以及振型，进而来对系统当中的刚度特性进行了解;⑵针对转向系统展开相应的工程改进设计，并且通过CAE进行可行性分析，然后针对改进之后的转向系统展开相应的试验验证以及主观评价工作。汽车的转向系统通常是由多个子系统组合而成的，其整体部分的刚度主要是由转向柱、安装支架以及仪表板横梁来具体确定的。由于同一种类型的转向柱能够在不同车型之中都适用，所以有必要針对将转向系统在刚度与模态因素两方面的设计之初予以完善性的考虑，最终形成其相应的设计准则，在实施转向系统设计开发中起到知道作用。

2.汽车转向系统低频共振的优化

根据转向系统模态车型和车辆怠速行驶的频率耦合现象，针对汽车低频共振的现象，需要对转向系统模态进行技术上的提高，那么就需要对车型的转向系统内部结构进行优化，主要包括一下几个方面，首先，是优化汽车前、后的转向柱。在转向管柱和CCB的连接部件处，增加加强筋;其次，就是将管柱外的套筒外径由40mm增厚至45mm;再次，就是将汽车的U型板的结构的两侧，保留并且加宽焊接到支架上;最后，就是转向柱和CCB连接支架的整体厚度由3.2mm加厚至4mm，优化后的转向系统在TB垂向模态下变为38.6Hz，横向模态下为40.37Hz，相比最初的状态有了很大的提升，并且也满足了当初设定的目标和要求，转向柱的单体模态也满足了原本的设计要求，由此可见，将CAE技术应用到设计优化阶段，能更好的对转向系统NVH的性能进行控制和把握，对汽车转型系统的低频共振给予更好的解决方案。

在对汽车模型进行利用，开展仿真行驶过程的时候，可以通过相应的系统中所自带的一些速度、转向盘传感器，来对汽车仿真过程当中具体行驶的速度以及转向盘力矩、转向盘转角、转速等方面进行检测;然后再将汽车行驶中的全部信息以电信号形式，将其传输到电动助力转向系统内部当中的电子控制单元中;最后将他们进行相应的做和，将最终的目标助力电流进行求解;在下层控制策略之中，需要将助力电机内部的助力电流、上层控制策略进行确定，并将其相关目标的助力电流实现做差，进而求出其中存在的误差、误差的变化率，并通过自适应F-PID复合控制器的利用下，来对电枢电流实施有效调节，最后输出适用于汽车模型而且能够实现对汽车准确有效控制的所需控制力矩。

3.汽车转向系统优化后的验证

为了证明CAE方针设计的有效性，对于优化后的额转向系统在全车的形势下做了以下的实验、测试。在转向模态测试设备进行测试时，转向系统处在整车安装的制约情况下，通过锤击的方式对壮行系统进行刺激，来测试方向盘和转向管柱各处的振动反馈。优化后全车状态转向系统模态测试，1阶状态垂向的摆动频为38.9Hz，1阶状态下横向摆动频率是43.1Hz，指数都大于目标设定的38Hz，并且，垂向和横向的振动频率差大于3Hz。优化后的转向系统振动模态，实验的车型怠速行驶时发动机的转速是750-850r/min，而与之相对应的2阶震动频率是25-25Hz，在优化后，转向系统模态振动频率相差大于10Hz，这也就可以避免了发动机怠速行驶时2阶状态引起的低频共振问题。转向系统怠速形势下空调开启状态优化后的方向盘振动问题，其中方向盘的X想振动速度是0.39m/s2降低到0.10m/s2，能量渐弱74%;转向柱和CCS连接的U型架Y向振动加速也由0.34m/s2降低到0.13m/s2，能量削弱62%;Z向振动加速也由0.29m/s2降低到0.10m/s2，能量减弱66%。通过这些实车的实验证明，根据CAE设计方针和模态试验对汽车进行优化，大大减少了汽车转向系统低频共振的情况，为以后的汽车优化设计奠定了基础。

4.总结：

汽车工程师在实际开展设计的时候，大多都凭借自身的经验来具体实施，在优化设计与分析的方法方面缺乏成熟性与可靠性。需要与相应的试验车型相结合，来针对转向系统的NVH特性实施开发，将转向系统作为模拟优化的研究对象，能够切实实现汽车怠速工况下转向盘振动的减小。此外，通过对有限元模型来对模态进行分析、优化以及实车试验等环节，能够形成一套相应的设计指导准则，这对于汽车车型实现开发而言是具有较高应用价值的。

参考文献：

[1]张海娟，李卓，张春林，张亮.汽车转向系统低频共振研究[J].北京汽车，2019（03）：13-16.

[2]卢培纪，王福明.车辆转向系统振动特性的试验分析[J].中北大学机电工程学院，2014（01）：119.

[3]邵慧.基于底盘激励的汽车高速状态转向系统抖动分析及优化[D].长沙：湖南大学，2014.