儀表橫梁剛度對方向盤振動影響的研究

張宏亮，于 仙，林華山

（1.華晨汽車集團控股有限公司，遼寧 沈陽 110044；2.集美大學 機械工程學院，福建 廈門 361021；3.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車舒適性的要求越來越高。汽車舒適性主要采用成員主觀感覺的舒適性為主，客觀參數(shù)測量為輔的方式進行評價。目前方向盤振動也是影響汽車舒適性的重要方面，方向盤振動會影響駕駛員的駕駛心情和情緒、疲勞。

怠速時，主要的振動源是發(fā)動機。要降低發(fā)動機的振動對其他系統(tǒng)的影響，常用的方法有：隔振、減振和使部件避開發(fā)動機的振動頻率段[1]。即利用避開發(fā)動機振動頻率段的思路，通過對怠速時方向盤振動的分析，采用客觀參數(shù)測量與整車舒適性評價相結(jié)合的方法，確定方向盤振動原因及改進措施。

2 怠速時方向盤振動的研究

2.1 怠速時方向盤振動加速度測試

2.1.1 測試目的

客觀測量怠速時方向盤x、y、z 方向的振動加速度值，與經(jīng)驗值比較確認是否與主觀評價結(jié)果相一致。

2.1.2 測試方法及結(jié)果分析

實驗測試點為方向盤中心點。實驗過程中啟動發(fā)動機，測試空調(diào)開啟及空調(diào)關(guān)閉時方向盤中心點的振動加速速度值。測得數(shù)據(jù)，如表1 所示。表中：1—帶安全氣囊樣車；2—不帶安全氣囊樣車。

表1 方向盤中心振動加速度（改進前）Tab.1 Acceleration at Center of Steering Wheel（unimproved）

由表1 得出，空調(diào)關(guān)閉時樣車（帶安全氣囊及不帶安全氣囊）方向盤總振動值分別為0.125g 和0.069g，均大于經(jīng)驗值0.05g（對應主觀評價6 分），空調(diào)開啟時，方向盤總振動值分別達到0.265g 和0.198g，遠大于經(jīng)驗值0.1g（對應主觀評價6 分）。兩種工況下方向盤中心振動值均超出經(jīng)驗值，符合主觀評價的結(jié)果，即方向盤振動過大，影響駕駛員駕駛時的舒適性。

2.2 方向盤系統(tǒng)固有頻率測試

2.2.1 測試目的

對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（包括儀表橫梁總成及轉(zhuǎn)向管柱總成）進行模態(tài)測試，找出共振頻段。

2.2.2 模態(tài)實驗的理論基礎(chǔ)

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)振動特性分析、健康檢測的一種有效方法，在各種大小型工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應用[2]。

模態(tài)實驗是將振動理論、振動測量及真實數(shù)據(jù)分析綜合應用的一種實驗方法。試驗模態(tài)分析是人為的對結(jié)構(gòu)物施加動態(tài)激勵，采集各點的振動響應及激振力信號，根據(jù)力及響應信號，用各種參數(shù)識別方法獲取模態(tài)參數(shù)。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[3-4]。模態(tài)有理論計算方法是以模態(tài)矩陣作為變換矩陣，將原物理坐標變換到自然坐標，使系統(tǒng)在原坐標下的耦合方程組變成一組互相獨立的二階常微分方程，用求解得到系統(tǒng)各階模態(tài)的振動，模態(tài)疊加，回到原物理坐標[5-6]。

2.2.3 測試方法及結(jié)果分析

實驗測試點為方向盤中心點，測試時，發(fā)動機關(guān)閉，測試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動頻率。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動頻率（改進前）如表2 所示。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動頻率（改進前）Tab.2 Frequency of Steering System（unimproved）

已知發(fā)動機二階激振頻率為26Hz（熱機怠速不開空調(diào)）、28.5Hz（熱機怠速開空調(diào)）[7]。由測試結(jié)果可以得出車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果顯示X、Y 方向第一階模態(tài)頻率與發(fā)動機二階模態(tài)接近。因此分析，怠速方向盤振動問題主要是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率偏低，在怠速發(fā)動機二階激振頻率的激勵下所致。應將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率提高至32Hz 以上，以解決方向盤抖動問題。

3 解決措施

要提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率，主要針對儀表橫梁及轉(zhuǎn)向管柱的安裝進行改進以提高系統(tǒng)剛度。儀表橫梁作為轉(zhuǎn)向管柱的安裝載體，其剛度的提升對整個系統(tǒng)的模態(tài)提升起著至關(guān)重要的作用[8]。

3.1 儀表臺橫梁的改進

在儀表臺橫梁中間增加三角支撐，如圖1 所示。對A、C 兩處，如圖2 所示。鈑金件進行焊接加強，如圖3 所示。

圖1 儀表橫梁總成Fig.1 Instrument Panel Cross Member

圖2 轉(zhuǎn)向管柱支架總成（改進前）Fig.2 Steering Column（unimproved）

圖3 轉(zhuǎn)向管柱支架總成（改進后）Fig.3 Bracket of Steering Column（improved）

3.2 緊固點加強

主要指轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁支架之間的連接部分的加強。轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁支架一般采用螺栓緊固，故首先在儀表臺橫梁C 點增加2 個M8 螺栓固定點，加強轉(zhuǎn)向柱與儀表臺橫梁的連接，如圖2 所示；其次儀表臺橫梁A 點處螺栓更換為M8 螺栓從而加大轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁的緊固力矩。

4 改進效果驗證

4.1 各項措施模態(tài)提升效果對比

實驗以樣車（帶安全氣囊）為檢測對象進行客觀值測量。將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及儀表橫梁模態(tài)提升措施效果進行對比，如表3 所示。

由表3 可知，儀表臺橫梁A 點（A、B、C 點定義見圖2）連接對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)X、Y 方向模態(tài)影響均比較大，因此裝配過程中，此處連接必須裝配到位。在當前設(shè)計基礎(chǔ)上，在儀表臺橫梁C 點增加2 個M8 螺栓與轉(zhuǎn)向柱的連接對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)X、Y 方向模態(tài)影響都非常大。即加強連接點的緊固力矩效果明顯。對儀表橫梁進行鈑金件的焊接加強對X 方向的模態(tài)提升較大。且摘掉氣囊后模態(tài)效果提升較明顯，所以該改進效果比較成功。

表3 改進后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)提升情況Table.3 Improvement of Steering System

4.2 整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動及模態(tài)對比

改進后的系統(tǒng)振動測試結(jié)果，如表4、表5 所示。

表4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)（改進后）Tab.4 Steering System Frequency（improved）

表5 方向盤中心振動加速度（改進后）Tab.5 Acceleration at Steering Wheel Center（improved）

改進后，樣車帶與不帶氣囊時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率均高于32Hz。樣車不帶氣囊狀態(tài)下，關(guān)空調(diào)時，怠速方向盤總振動為0.054g，比原狀態(tài)降低22%，主觀評價可接近6 分，開空調(diào)時，怠速方向盤總振動為0.151g，比原狀態(tài)降低24%，主觀評價可接近5.5 分，怠速方向盤主觀評價綜合打分預計高于5.5 分，達到目標值。

樣車帶氣囊狀態(tài)下，關(guān)空調(diào)時，怠速方向盤總振動為0.053g，比原狀態(tài)降低30%，主觀評價可接近6 分，開空調(diào)時，怠速方向盤總振動為0.139g，主觀評價可超過5.5 分，怠速方向盤主觀評價綜合打分預計高于5.5 分，達到目標值。

5 結(jié)論

怠速方向盤振動問題主要由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率與發(fā)動機怠速激振頻率接近所致。主要解決的思路就是要避開共振頻率段，具體措施就是提升儀表橫梁的剛度。

通過以上的具體實驗分析，對于解決怠速方向盤振動問題我們總結(jié)出以下幾種方法：

（1）轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁連接處的加固：從案例的實際測量中我們可以看出，轉(zhuǎn)向管柱與儀表橫梁的鏈接方式對系統(tǒng)模態(tài)影響較大。有限元分析過程中，我們會將螺栓鏈接部位等效成剛性連接所以在計算中產(chǎn)生誤差，無法正確估計其應力及變形。所以需要以實際測量值核試驗的方法為主進行改進。

（2）儀表橫梁本身的加強：儀表橫梁是轉(zhuǎn)向管柱及方向盤支撐的載體，其強度直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度?？梢圆捎糜邢拊治雠c具體實驗相結(jié)合的方法進行改進。

（3）采用客觀測量與主觀評價的方法：針對振動方面的舒適性評價需要將主客觀相結(jié)合才可以正確衡量其舒適性。觀評價可以體現(xiàn)駕駛員的主管感受，客觀測量可以驗證主觀感受并提供改進的方向。兩者相結(jié)合才能更好的解決實際問題。

［1］張永利.怠速方向盤抖動的研究［J］.現(xiàn)代震動與噪聲技術(shù)，2008（6）：187－188.（Zhang Yong－li.Wheel vibration research at idling［J］.Modern Vibration and Noise Technology，2008（6）：187－188.）

［2］Peters B，Ventura C E.Comparative study of modal analysis techniques for bridge dynamic characteristics［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2003，17（5）：965－988.

［3］【英】D.J.EWINS.模態(tài)實驗理論與實踐［M］.南京：東南大學出版社，1991：13－15.（D.J.EWINS.Modal experiment theory and practice［M］.Nanjing：Dong Nan University Press，1991：13－15.）

［4］李德葆，陸秋海著.實驗模態(tài)分析及其應用［M］.科學出版社，2001：120－125.（Li De－bao，Lu Qiu－h(huán)ai.Analysis on experimental modal and its application［M］.Beijing：Science Press，2001：120－125.）

［5］Dong J，ChoiK K，Kim N H.Design optimization for structural－acoustic problems using FEA－BEA with and joint variable method［J］.Journal of Mechanical Design，2004，126（3）：527－533.

［6］Brughmans M，Goosense S，Takei Tetal.Morphing technology applied to body modeling［J］.Auto Vehicle Technique，2003，57（7）：14－20.

［7］寧國寶，張立軍，尹東曉，等.制動引起的方向盤抖動現(xiàn)象實驗研究［J］.中國工程機械學報，2004（7）：452－453.（Ning Bao－guo，Zhang Li－jun，Yin Dong－xiao，etal.Research on steering wheel vibration induced by brake ［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2004（7）：452－453.）

［8］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：55－56.（Yu Zhi－sheng.Automobiletheory［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2004：55－5.）