某SUV 车型方向盘高频振动问题分析与优化

李彬，毕金亮，荣万崇，崔国垲，曹春雨

（1.130013 吉林省 长春市 中国第一汽车股份有限公司研发总院；2.130011 吉林省 长春市 汽车振动噪声与安全控制技术国家重点实验室）

0 引言

目前，良好的整车NVH（振动、噪声和声振粗糙度）性能表现已逐步成为消费者对汽车产品的基本诉求。在使用汽车产品的过程中，方向盘作为与消费者身体直接接触最多的零部件之一，其振动水平直接影响驾驶员舒适性感受。以往，汽车主机厂主要关注100 Hz 以内方向盘振动表现[1-3]，且大多数方向盘振动问题发生在40 Hz 以下，如方向盘模态与激励耦合出现的振动问题[4]，频率更低的方向盘摆振问题[5]，大于100 Hz 的振动不易被人体感知基本成为行业共识[6]。

本文作者针对某SUV 车型加速工况方向盘振动大带来的手部酥麻感问题，通过整车测试、评价及模态识别等提出结构改进方案，优化后方向盘高频振动问题改善明显。应用电磁激振台模拟不同频率、不同幅值的方向盘振动情况并进行主观评价，确认150 Hz 以下激励频率可被感知，并总结出不同频率范围的主观感受特征，以及不同振动幅的主观评分水平。

1 加速工况方向盘振动问题

1.1 方向盘高频振动

被测车辆加速工况存在明显的方向盘振动问题，行驶速度为80 km/h 左右时，驾驶员明显感知方向盘振动带来的手部酥麻感，主观评分6 分。经道路实车测试分析，在车速80 km/h、中心频率130 Hz 左右时方向盘振动存在明显峰值，振动峰值达0.13g，测试结果如图1 所示。方向盘振动问题分析中，通常只关注100 Hz 以内的振动问题，认为100 Hz 以上振动不易被人体感知，此次测试表明需进一步确认加速工况方向盘振动问题是否与130 Hz 左右高频振动关联。

图1 原状态方向盘振动测试结果Fig.1 Steering wheel vibration test results in original state

1.2 整车状态下零部件模态识别

对被测车辆进行整车状态下零部件模态识别测试，首先识别方向盘固有模态频率，分析可得方向盘1 阶固有模态频率为38 Hz，且100 Hz 以上无明显峰值频率，结果如图2（a）所示。在对底盘零部进行模态测试识别中，发现前驱动桥后端存在126 Hz 固有频率局部模态，且该频率下能量处于最高峰值，结果如图2（b）所示。

图2 整车状态下零部件模态识别Fig.2 Modal identification of components in vehicle state

2 道路试验及前驱动桥优化方案验证

2.1 前驱动桥振动测试

在前驱动桥后端壳体位置布置三向加速度传感器，并进行实车道路测试，复现方向盘出现振动问题工况。经分析，前驱动桥后端壳体振动情况与方向盘振动高度吻合，即加速工况80 km/h 左右存在明显的振动峰值，频率在130 Hz 附近，如图3所示，且整个加速过程存在明显的共振带特性，共振频率为130 Hz 左右，与零部件模态识别中前驱动桥后端126 Hz 局部模态相近。

图3 D 挡加速前驱动桥壳体振动Fig.3 Front drive axle vibration in D-gear acceleration

2.2 前驱动桥吸振器优化方案验证

在前驱动桥后端安装固有频率为130 Hz 的动力吸振器，如图4 所示。该动力吸振器关键设计参数如下：Z 向固有频率满足130 Hz±5%，质量满足3 kg±200 g。经实车道路评价测试，加速工况80 km/h 左右方向盘酥麻感问题改善明显，主观评分6.75 分；方向盘130 Hz 左右高频振动峰值由0.13g下降至0.07g，如图5 所示。其它频率段振动情况较原状态无明显变化，即有力说明被测车辆加速工况80 km/h 左右出现的方向盘酥麻感问题来源于方向盘130 Hz 左右高频振动，前驱动桥130 Hz 左右共振带强迫激励引起方向盘在该频率下的高频振动是导致问题的真因，证实了100 Hz 以上方向盘振动问题可被人体感知。

图4 前驱动桥后端安装动力吸振器Fig.4 Vibration absorber installed at the rear of front drive axle

图5 优化后方向盘振动测试结果Fig.5 Steering wheel vibration test results after optimization

3 方向盘振动主客观对应分析

实车主观评价是评判方向盘振动问题水平的重要依据，主观评价依据主观评价表对实车方向盘振动问题感知水平进行等级划分，主观评价基准如表1 所示[7]。本文提到的方向盘130 Hz 左右高频振动问题，振动峰值由原状态的0.13g 下降到优化后的0.07g，主观评分由6.00 分提升至6.75 分，为单一问题下的主客观对应结果，未覆盖其它方向盘振动频率及幅值。

表1 主观评价基准Tab.1 Subjective evaluation criteria

3.1 电磁激振器模拟方向盘振动问题

为进一步研究方向盘振动客观值与主观评分的关联，根据实车方向盘振动问题，如某纯电车型粗糙路面方向盘振动大问题，振动频率35 Hz，振动幅值0.06g，实车主观评分6.5 分，应用电磁激振台输入相应振动频率、振动幅值进行模拟，经专业NVH 主观评价团队共同评价确认，电磁激振台模拟方向盘振动主观评价与实车主观评价结果一致，即可通过电磁激振台输入对应方向盘振动频率及幅值的方式，模拟方向盘振动水平，主观评价人员可直接对电磁激振台振动水平进行评价，得出实车主观评价结果。电磁激振台模拟方向盘振动如图6 所示，方向盘模型刚性连接于激振台。

图6 电磁激振台模拟方向盘振动Fig.6 Simulation of steering wheel vibration with electromagnetic vibration test station

3.2 方向盘不同振动频率下客观值与主观评分对应分析

主观评价人员按照表1 对不同频率、幅值的电磁激振台振动水平进行主观评价，形成客观值水平与主观评分统计数据库，总结出实车方向盘不同振动频率客观值与主观评分对应结果，建立实车方向盘振动客观值水平与主观评分关联性，如表2 所示。因为已经通过大样本量主观评价人员共同评价，并取平均分，所以表2 具有普遍性。当车辆出现方向盘振动问题时，可通过表2 快速定义实车方向盘振动水平，从而为方向盘振动问题的解决提供借鉴。

表2 实车方向盘振动频率下客观值与主观评分对应结果Tab.2 Corresponding results of objective value and subjective score under different vibration frequencies of real vehicle steering wheel

4 结论

（1）本文研究了某SUV 车型方向盘高频振动问题，得出了方向盘100 Hz 以上高频振动可被人体感知的结论；

（2）通过模态识别和整车道路试验，提出了前驱动桥安装动力吸振器的优化方案，有效改善了加速工况方向盘酥麻感问题，主观评分由6.00 分提升至6.75 分；

（3）进行了方向盘振动主客观对应分析，创新性应用电磁激振台模拟实车方向盘振动问题，总结出方向盘不同振动频率下客观值与主观评分对应结果。