赵明辉
安徽安凯汽车股份有限公司 安徽 合肥 230051
摘要：为了解决车辆怠速时因方向盘的抖动给驾驶员不愉快的触感问题， 以某型车在发动机怠速且开空调冷却风扇高速运转时方向盘会产生振动的问题，找出方向盘怠速振动的主要原因。运用锤击法，测量整车状态下方向盘的固有频率，对于主要的激励源冷却风扇，采用扫频法，测量冷却风扇的固有频率。分析得出怠速方向盘振动是由于冷却风扇固有频率与冷却风扇激励耦合产生共振导致的。在保证冷却性能和成本因素的前提下，采用提升冷却风扇固有频率和锁定冷却风扇最高转速的改进方案，取得了良好效果。
关键词：客车；转向系统；振动
近年来，随着人们生活水平的提高，对客车的舒适性提出越来越高的要求。方向盘是驾驶员直接接触的部件，方向盘振动过大，会对驾驶员产生整车不佳的感官印象。转向系统的振动性能还会影响整车的操纵稳定性、安全性、乘员的舒适性。转向系统中方向盘怠速振动就是影响驾乘感的一个重要因素，严重的怠速振动甚至会让用户产生不舒适感。为避免怠速振动的情况发生，在汽车设计中就需要对转向系统的模态进行分析，使其满足设计要求。乘客对汽车NVH 性能的要求也越来越高，尤其是发动机怠速时，方向盘抖动剧烈，会直接影响整车的驾驶舒适性。因此，优化方向盘NVH 性能对提高整车质量具有重要意义。
一、方向盘怠速振动原理分析
方向盘振动问题一般是由激励源激励，经由传递路径传递到方向盘引起的。尤其是当方向盘的固有频率与激励频率耦合时会发生共振，产生较大振动。方向盘振动的激励源主要有发动机的激励、冷却风扇的激励和来自路面的激励。具体的传递路径如图所示。
发动机的激励主要是由发动机曲轴周期性运动引起的，其激励频率以发动机点火阶次为主。该车型是四冲程四缸发动机，一般以2 阶点火频率为主，激励频率计算公式如下：
该车型发动机怠速下转速为760 r/min～780 r/min，其2 阶点火频率为24 Hz～26 Hz。该冷却风扇分为高低两个挡位，低速挡转速范围在1800 r/min 左右，高挡位转速在2800 r/min 左右。其激励频率在30 Hz和47 Hz左右[5，6]。
二、方向盘怠速振动原因分析
1、悬置系统。发动机悬置系统在整车的减振中有非常重要的作用，悬置系统一方面可以衰减发动机传递到车身的激励，起到隔振的效果；另一方面，悬置系统可以衰减路面传递到发动机的激励，从而保护动力总成。发动机悬置系统的性能一般用隔振量的大小来衡量。具体计算公式如下：
2、路面和轮胎动不平衡。由于该车型的方向盘振动问题主要出现在停车怠速时，所以不存在来自路面的激励和轮胎动不平衡因素的影响。
3、冷却风扇。通过该车型在冷车启动怠速时，方向盘振动不明显，再怠速一段时间，冷却风扇启动之后，方向盘振动明显增强。该问题很可能与冷却风扇的激励有关。从方向盘上的加速度频谱图可以看出Y方向上只有47 Hz左右出现较大尖峰，而该车型发动机怠速转速为760 r/min～780 r/min，2 阶点火频率为24 Hz～25 Hz，在这个频率上只有很小的波峰，所以发动机的激励对方向盘振动问题影响较小。而冷却风扇高挡位的激励频率在47 Hz 左右，方向盘振动很可能是冷却风扇的激励影响。为进一步验证问题，在原有实验基础上采用外接电源的方式，控制风扇转速，并用激光测速仪跟踪风扇转速，发现冷却风扇转速达到2 820 r/min 时，方向盘振动明显，此时风扇激励频率为47.1 Hz，与频谱图吻合。冷却风扇引起的振动和噪声问题一般要考虑如下因素：要检查冷却风扇的动不平衡量；检查冷却风扇隔振垫圈性能是否达标；冷却风扇的振动量。
通过检查该冷却风扇的动不平衡量为25 g mm，满足目标值。通过测量隔振垫圈主动端和被动端的振动加速度，计算结果也符合设计要求。为了验证方向盘振动是否是冷却风扇的激励频率与方向盘的固有频率耦合发生共振引起的，必须测量出方向盘的固有频率。采用LMS Test. lab 的Impact testing 模块，在整车状态下用锤击法测量，方向盘1阶固有频率为37 Hz，与频谱图上最大加速度处频率有较大差距，所以该方向盘振动问题不是方向盘与冷却风扇共振引起的。根据工程经验判断，可能是由冷却风扇壳体的固有频率被风扇的自激励激发导致共振引起。所以，必须测量冷却风扇壳体的固有频率。
由于风扇是旋转件，故可以采用风扇旋转自激励的方式，通过扫频法测量。实验的测点布置将风扇固定在实验台架上，让风扇从200 r/min加速到3 000 r/min。扫频结果显示，该风扇的固有频率为38.3 Hz（2 300 r/min），44.2 Hz(2 650 r/min）和47.1 Hz（2 825 r/min)。由此可以看出，该车型方向盘振动问题是由冷却风扇的激励与冷却风扇壳体固有频率与风扇的自激励频率耦合引起共振导致的。
三、方向盘怠速振动的控制
通过该车方向盘激励源、主要传递路径及转向系统模态的分析，得出了驱动轴传递力偏大及方向盘与发动机激励频率耦合是导致该车怠速工况方向盘振动大的主要原因，下面分别从振动源、主要传递路径及转向系统模态进行控制。
1、振动源的控制。从降低发动机振动激励力和避免激励源与转向系统共振从发，调整发动机怠速目标转速是一个快速的解决办法。通过不同转速下方向盘振动的测试及评价，可选择一个合适的目标转速。试验测试发动机转速从750～960 r/min 方向盘各方向振动值，在855 r/min 以下，振动变化不大，855 r/min 以上振动较大，在925 r/min 最大，这也说明方向盘在此转速下发生共振。所以将发动机怠速目标转速由900 r/min 降低到855 r/min 以下能有效降低方向盘振动。但由于降低发动机转速势必会影响到整车其它性能，基于使用D挡怠速时间较短，为保证其它性能要求，该车最终将D挡怠速目标转速由原900 r/min降至850 r/min。
2、传动系统传递路径的控制。针对驱动轴→万向节→转向拉杆→转向器→转向系统→方向盘这一主要振动传递路径，通常通过驱动轴万向节来衰减发动机的激励力。原车驱动轴移动节为六球DO型万向节，该结构万向节的滑动阻力较大，不能有效吸收发动机的振动。通过对万向节选型，在满足该车布置要求的条件下，选用滑动阻力较小的三销GI 型万向节。如图。
采用GI 型万向节驱动轴使方向盘振动峰值明显降低，P 挡时由原0.36 g 降到0.14 g，D挡时由0.61g降到0.24 g。对于D挡，单独采用发动机目标转速降低50r/min 或驱动轴节型由DO 型改为GI 型两种控制措施，其振动都能得到明显降低，但仍不能接受，须综合两种方案进行控制。同时采取降低发动机转速和改进驱动轴万向节节型两种方案方向盘振动的测试结果，最大振动频率处的振动值降到0.08g。通过评价，其振动达到可接受范围。但对于P挡，由于受其它性能的限制，发动机目标转速不能调整，且采用驱动轴万向节改进措施后，振动仍偏大，需进一步控制。
随着汽车发动机的高性能、高功率化，使得发动机舱内温度上升，冷却风扇的负荷变大，转速也随之提高，由冷却风扇引起的汽车NVH性能问题越来越突出。再者，发动机的噪声振动控制技术和声学包装技术取得较大进展，发动机引起的噪声振动下降较大，使得原本被发动机掩盖的冷却风扇噪声、振动更加突出。汽车在怠速开空调的工况下，发动机负荷较大，冷却风扇工作时散热，容易导致由冷却风扇激励引起的共振问题。所以，在整车开发过程中要注意这些容易被忽略的问题，对系统进行合理匹配，特别要注意以下问题：保证冷却性能的前提下，合理控制冷却风扇转速，避开发动机2 阶点火频率和以及车身和转向系统的固有频率，避免产生共振；对各悬置隔振系统进行合理匹配，保证其隔振吸振效果，特别是容易被忽略的冷却系统隔振垫的性能；冷却风扇的固有频率要避开发动机的激励频率和冷却风扇的激励频率。
参考文献：
［1］周 鋐．基于传递路径分析的怠速工况下转向盘振动路径识别及改进［J］． 汽车技术，2012( 4) : 15-17．
［2］刘旌扬． 基于模态分析的汽车转向盘怠速抖动优化［J］． 汽车技术，2013( 11) : 27-30．
［3］ 高亚丽． 发动机冷却风扇对车内振动噪声影响分析［J］． 内燃机工程，2015，36 ( 1) 6．
论文作者:赵明辉
论文发表刊物:《科技新时代》2019年2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：风扇论文; 方向盘论文; 发动机论文; 频率论文; 转速论文; 万向节论文; 整车论文; 《科技新时代》2019年2期论文;