汽車方向盤(pán)怠速抖動(dòng)的測(cè)試分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

徐 寧

(重慶力帆乘用車有限公司， 重慶 400700)

某四缸機(jī)汽車怠速不開(kāi)空調(diào)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為780 r/min，方向盤(pán)輕微抖動(dòng)。怠速全開(kāi)空調(diào)后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為880 r/min，方向盤(pán)抖動(dòng)明顯；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至1 500 r/min時(shí)，方向盤(pán)抖動(dòng)消失。為解決怠速全開(kāi)空調(diào)時(shí)方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題，本文通過(guò)測(cè)試分析的手段，找到響應(yīng)(方向盤(pán))、激勵(lì)源(發(fā)動(dòng)機(jī))、響應(yīng)與激勵(lì)源中傳遞路徑上的相關(guān)零部件三者之間的關(guān)系[1]，從而徹底解決方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題。

1 響應(yīng)的測(cè)試分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是怠速狀態(tài)下唯一的根本激勵(lì)源[2]，因該車發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸機(jī)，怠速不開(kāi)空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為780 r/min，計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的1階頻率為13 Hz，2階頻率為26 Hz；怠速全開(kāi)空調(diào)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為880 r/min,計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的1階頻率為14.7 Hz，2階頻率為29.3 Hz。

為解決方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題，將方向盤(pán)視為響應(yīng)，使用LMS頻譜分析儀，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)下的方向盤(pán)抖動(dòng)情況。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：怠速不開(kāi)空調(diào)時(shí)，方向盤(pán)的振動(dòng)頻率為25.6 Hz，與轉(zhuǎn)速在780 r/min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)2階頻率26 Hz很接近；怠速全開(kāi)空調(diào)時(shí)，方向盤(pán)的振動(dòng)頻率在29.14 Hz，與轉(zhuǎn)速在880 r/min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的2階頻率29.3 Hz很接近；隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，方向盤(pán)振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)頻率高度吻合[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)特性通過(guò)相應(yīng)路徑傳遞到了方向盤(pán)上。

因方向盤(pán)固定于整車上，還需測(cè)試裝車狀態(tài)下方向盤(pán)的固有頻率。使用LMS頻譜分析儀，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)熄火裝車狀態(tài)下方向盤(pán)的固有頻率，從而確定方向盤(pán)本體是否容易被發(fā)動(dòng)機(jī)怠速振動(dòng)所激勵(lì)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 方向盤(pán)裝車狀態(tài)固有頻率(左右向)

圖2 方向盤(pán)裝車狀態(tài)固有頻率(前后向)

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，方向盤(pán)裝車狀態(tài)下的左右向固有頻率為29.32 Hz，前后向固有頻率為29.17 Hz，正好和發(fā)動(dòng)機(jī)在880 r/min時(shí)的2階頻率比較接近，如果傳遞路徑中有頻率接近29 Hz的零部件，頻率29.3 Hz的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)很容易通過(guò)該零部件傳遞到方向盤(pán)上。故需要在傳遞路徑中找到接近這一頻率的零部件，并提高或降低該零部件的頻率，從而阻隔該振動(dòng)頻率的傳遞[4]。

2 傳遞路徑的測(cè)試分析及改進(jìn)

2.1 傳遞路徑分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，找到2條從激勵(lì)源發(fā)動(dòng)機(jī)到方向盤(pán)之間的傳遞路徑：一是發(fā)動(dòng)機(jī)→副車架→方向機(jī)→轉(zhuǎn)向管柱→方向盤(pán);二是發(fā)動(dòng)機(jī)→白車身→轉(zhuǎn)向管柱→方向盤(pán)。

為快速弄清問(wèn)題的原因，本次未采用傳遞路徑分析法，而是將路徑之中的零部件解析出來(lái)，逐個(gè)分析各零部件的模態(tài)特性。

2.2 方向盤(pán)自身剛度測(cè)試

確認(rèn)方向盤(pán)本體剛度，判斷是否是自身剛度不足引起方向盤(pán)抖動(dòng)。使用LMS頻譜分析儀對(duì)問(wèn)題車和標(biāo)桿車方向盤(pán)的自由模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，問(wèn)題車和標(biāo)桿車方向盤(pán)模態(tài)分布如表1所示。

表1 問(wèn)題車/標(biāo)桿車方向盤(pán)自由模態(tài)

問(wèn)題車方向盤(pán)結(jié)構(gòu)是參考標(biāo)桿車方向盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，故需與標(biāo)桿車方向盤(pán)的固有頻率進(jìn)行比較來(lái)判斷問(wèn)題車方向盤(pán)剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。從模態(tài)頻率看，問(wèn)題車方向盤(pán)的1階固有頻率是遠(yuǎn)高于標(biāo)桿車方向盤(pán)的1階固有頻率的，由于固有頻率能夠反映結(jié)構(gòu)自身的剛度特性，且不隨激勵(lì)源發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，故方向盤(pán)的自身剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

從模態(tài)振型看，骨架支撐面、方向盤(pán)輪輻和方向盤(pán)盤(pán)面的結(jié)構(gòu)剛度足夠，沒(méi)有特別薄弱的地方。

結(jié)合方向盤(pán)的固有頻率和模態(tài)振型，可以排除是方向盤(pán)自身剛度不足引起方向盤(pán)抖動(dòng)的因素。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)測(cè)試

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的剛體模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，分析是否是發(fā)動(dòng)機(jī)的各階剛體模態(tài)與方向盤(pán)的模態(tài)頻率接近而引發(fā)的方向盤(pán)抖動(dòng)[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)分布如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)

從測(cè)試結(jié)果看，發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)頻率均低于18 Hz，小于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的2階頻率26 Hz和29.3 Hz，也不與怠速1階頻率13 Hz和14.7 Hz接近。故排除是發(fā)動(dòng)機(jī)自身的影響。

2.4 副車架模態(tài)測(cè)試

對(duì)副車架的模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，分析是否是副車架模態(tài)與方向盤(pán)模態(tài)接近產(chǎn)生的共振[6]。采用LMS頻譜分析儀對(duì)副車架模態(tài)進(jìn)行測(cè)試。副車架模態(tài)分布如表3所示。

表3 副車架模態(tài)

從測(cè)試結(jié)果看，副車架模態(tài)的最低頻率為47.1 Hz，遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的2階頻率29.3 Hz，故排除是副車架的影響。

2.5 白車身模態(tài)測(cè)試

對(duì)白車身的模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，分析是否是白車身模態(tài)與方向盤(pán)模態(tài)接近產(chǎn)生的共振[7-8]。采用LMS頻譜分析儀對(duì)白車身模態(tài)進(jìn)行測(cè)試。模態(tài)分布如表4所示。

表4 白車身模態(tài)

從測(cè)試結(jié)果看，白車身模態(tài)頻率1階23.9 Hz，2階28.7 Hz均不在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速振動(dòng)頻率附近，故排除共振的可能性；另外考慮結(jié)構(gòu)剛度的影響，因白車身前輪罩為固定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置襯套的位置，前圍鈑金處為固定轉(zhuǎn)向管柱的位置，故對(duì)兩處位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度確認(rèn)，從白車身模態(tài)頻率在30 Hz以下的1階和2階模態(tài)振型進(jìn)行來(lái)看，兩處結(jié)構(gòu)剛度足夠。故排除是白車身的影響。

2.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試

上轉(zhuǎn)向管柱與方向盤(pán)采用漸開(kāi)線花鍵連接，故將方向盤(pán)、上轉(zhuǎn)向管柱、橫梁和支架作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)分析[9]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，采用LMS頻譜分析儀測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在裝車狀態(tài)下的模態(tài)分布，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

1—方向盤(pán)； 2—上轉(zhuǎn)向管柱； 3—下轉(zhuǎn)向管柱； 4—橫梁； 5—支架

表5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)

從測(cè)試結(jié)果看，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的1階頻率為29.6 Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速全開(kāi)空調(diào)時(shí)2階頻率29.3 Hz很接近。由此判斷，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率通過(guò)白車身傳遞可能激發(fā)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抖動(dòng)，從而導(dǎo)致方向盤(pán)的抖動(dòng)[10]。從模態(tài)振型來(lái)看，靠近方向盤(pán)端的上轉(zhuǎn)向管柱抖動(dòng)激烈，初步判斷是由上轉(zhuǎn)向管柱引起的方向盤(pán)抖動(dòng)。

2.7 改進(jìn)及效果

模擬裝車狀態(tài)，對(duì)上轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析，發(fā)現(xiàn)上轉(zhuǎn)向管柱2階30.8 Hz彎曲模態(tài)變形嚴(yán)重。該模態(tài)與全開(kāi)空調(diào)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率29.6 Hz很接近，可進(jìn)一步推斷是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速振動(dòng)激發(fā)了上轉(zhuǎn)向管柱的模態(tài)，引發(fā)了共振。

上轉(zhuǎn)向管柱彎曲模態(tài)變形嚴(yán)重，初步判斷是上轉(zhuǎn)向管柱長(zhǎng)度太長(zhǎng)，形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的方向盤(pán)抖動(dòng)。在符合人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)上，將上轉(zhuǎn)向管柱長(zhǎng)度縮減20 cm。從上轉(zhuǎn)向管柱長(zhǎng)度縮短后裝車狀態(tài)方向盤(pán)的固有頻率的測(cè)試數(shù)據(jù)看，方向盤(pán)裝車狀態(tài)固有頻率從原來(lái)的29 Hz提升到了34 Hz，保證方向盤(pán)避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況振動(dòng)頻率29.3 Hz。上轉(zhuǎn)向管柱整改前后方向盤(pán)裝車狀態(tài)的固有頻率數(shù)據(jù)對(duì)比如表6所示。將此對(duì)策件裝車驗(yàn)證，主觀感覺(jué)來(lái)看，方向盤(pán)在怠速全開(kāi)空調(diào)時(shí)抖動(dòng)明顯降低，幾乎感覺(jué)不到抖動(dòng)；另外，在空調(diào)關(guān)閉時(shí)輕微抖動(dòng)已消失。測(cè)試結(jié)果及對(duì)比如表7所示，可以看出方向盤(pán)的抖動(dòng)問(wèn)題得到徹底解決。

表6 整改前后方向盤(pán)裝車狀態(tài)下的固有頻率對(duì)比 Hz

表7 全開(kāi)空調(diào)工況下方向盤(pán)振動(dòng)量測(cè)試對(duì)比 g

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要圍繞激勵(lì)源、振動(dòng)對(duì)象、傳遞路徑中相關(guān)零部件展開(kāi)分析調(diào)查，確定激勵(lì)源特定工況下的激振頻率，測(cè)試振動(dòng)對(duì)象和傳遞路徑中相關(guān)零部件的模態(tài)特性(包括頻率、振型、剛度等)等，通過(guò)振動(dòng)頻率和振型找到激勵(lì)源、振動(dòng)對(duì)象及傳遞路徑中相關(guān)零部件三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尋找共振的緣由，從而制定出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施。