重卡方向盤抖動故障診斷及優(yōu)化

王 磊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心重卡研究院，安徽 合肥 230601）

引言

伴隨國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平也越來越高，居民消費(fèi)能力也在不斷提升，中國汽車工業(yè)近年來也有了長足的進(jìn)步。國內(nèi)汽車銷量多年穩(wěn)居世界第一，國產(chǎn)汽車水平日新月異，總體來說乘用車國產(chǎn)車已具備中低級轎車正向開發(fā)能力，商用車處于參考借鑒基礎(chǔ)上優(yōu)化階段。商用車產(chǎn)品開發(fā)雖然有部分技術(shù)應(yīng)用了正向開發(fā)技術(shù)，但由于商用車特別是重型卡車，其作為主要生產(chǎn)工具，覆蓋地域極廣，應(yīng)用道路復(fù)雜，運(yùn)輸貨物雜亂，駕駛員水平差異大，導(dǎo)致重卡需求技術(shù)含量高，全面正向開發(fā)難度大，而且重卡整體投入特別大，投資回報周期長，因此全面正向開發(fā)重卡既不現(xiàn)實也沒有必要。

重型卡車已誕生數(shù)十年，其作為道路大型中長途貨物運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咭约安糠痔胤N運(yùn)輸車輛改裝平臺，多年以來其基本特性并沒有發(fā)生重大變化。不斷變化的主要是發(fā)動機(jī)馬力的不斷提升，發(fā)動機(jī)排放水平，整車造型，大量輕量化技術(shù)，極為豐富的電控機(jī)械化配置所導(dǎo)致的整車部件布置空間變化，部分激勵源變化，整車保養(yǎng)及可靠性的大幅提升等變化?？偠灾?，與重卡所保留的要素相比，其變化的部分仍然是少之又少。

重卡產(chǎn)品開發(fā)必須要盡量多在工程應(yīng)用方面應(yīng)用成熟的新技術(shù)，為整體產(chǎn)品拓展做鋪墊。高技術(shù)含量的產(chǎn)品在利潤方面有優(yōu)勢，但往往主銷的產(chǎn)品與其還有一定差別，作為一個公司的注銷產(chǎn)品與利潤主要來源，其產(chǎn)品的性價比及其重要，因此該產(chǎn)品的開發(fā)方式與技術(shù)密集型高端產(chǎn)品開發(fā)方式存在一定差異。對于技術(shù)中等變動過產(chǎn)品，需要在平臺基本型產(chǎn)品基礎(chǔ)上簡化正向開發(fā)流程做開發(fā)；對于小變型產(chǎn)品可以快速完成mule 車及產(chǎn)品，通過試驗法來快速發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化產(chǎn)品，進(jìn)而快速推出產(chǎn)品。以此可將產(chǎn)品開發(fā)周期縮短數(shù)月時間，對于適應(yīng)市場的產(chǎn)品及時上市將帶來先發(fā)優(yōu)勢。

本文主要論述一款4×2 重型載貨車小變型產(chǎn)品mule 車存在的方向盤抖動問題，車輛如何進(jìn)行故障診斷及優(yōu)化。主要內(nèi)容如下。

1 車輛故障信息收集

初步了解試驗人員經(jīng)歷及方向盤抖動現(xiàn)象描述。該人員只反饋怠速方向盤抖動明顯，駕駛室是否抖動無法判斷。

2 收集車輛信息

（1）車輛主要信息：驅(qū)動形式、發(fā)動機(jī)、變速箱、前橋、后橋、懸架型式、駕駛室。

（2）基本型車輛狀態(tài)及新產(chǎn)品變更

1）了解基本型車型存在哪些類似抖動問題。經(jīng)確認(rèn)基本型車型隨機(jī)駕駛員未反饋有方向盤抖動問題。

2）新產(chǎn)品在基本型車型基礎(chǔ)上更換發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱、傳動軸、駕駛室。其中發(fā)動機(jī)由四缸機(jī)換成了六缸機(jī)，變速箱由8 擋箱換成了10 擋箱，發(fā)動機(jī)懸置支架調(diào)整滿足物理搭載，駕駛室為內(nèi)外飾換型產(chǎn)品。

潛在原因分析：反饋方向盤抖動可以明確方向盤抖動使該駕駛員不可接受，但駕駛室抖動程度無法定義，即無法確定是駕駛室、方向盤均抖動劇烈還是只有方向盤劇烈抖動；另外無法確認(rèn)是該駕駛員敏感還是確實有嚴(yán)重問題。發(fā)動機(jī)變動較大，激勵源較大變更，出問題可能性大；發(fā)動機(jī)變速箱增大，發(fā)動機(jī)懸置軟墊沒有變化，此原因也會導(dǎo)致系統(tǒng)共振；駕駛室由于內(nèi)外飾換型且缺少慣性參數(shù)，因此駕駛室懸置影響無法確定。

3 實車專業(yè)駕駛員主觀評價

請原駕駛員與專業(yè)主觀評價人員同時試車，共同確認(rèn)問題點(diǎn)。

（1）故障重現(xiàn)

車輛調(diào)整到問題最嚴(yán)重狀態(tài)，經(jīng)專主觀人員確認(rèn)，確實方向盤抖動明顯大于駕駛室、儀表臺抖動；駕駛室整體抖動可接收。

（2）車輛啟動、熄火工況

車輛啟動、熄火觀察駕駛室及方向盤抖動情況。啟動熄火，方向盤及駕駛室存在抖動峰值，但程度比怠速輕，時間短。

（3）原地升速工況

原地空擋半油門、全油門、輕油門工況，觀察駕駛室及方向盤抖動情況。半油門、全油門由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升快，駕駛室存在輕微左右搖擺現(xiàn)象，該現(xiàn)象屬于正常現(xiàn)象；輕踩油門，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由750rpm 上升到850rpm 以上，方向盤抖動明顯降低。

原因分析：由以上三種工況可知，方向盤抖動主要原因是六缸發(fā)動機(jī)三階激勵與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振所致，其次方向盤抖動程度需NVH 設(shè)備進(jìn)一步驗證，具體車輛轉(zhuǎn)向共振特性量化指標(biāo)，需進(jìn)一步試驗。

4 車輛NVH 試驗

4.1 激勵源計算

怠速抖動激勵源為發(fā)動機(jī)。六缸四沖程發(fā)動機(jī)主要激勵源是發(fā)動機(jī)上下及側(cè)傾激勵，其中側(cè)傾激勵為主，發(fā)動機(jī)熱機(jī)怠速為750rpm，激勵源頻率為熱機(jī)37.5Hz，計算公式如下：

其中f 為激勵源頻率，n 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，N 為發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)。

4.2 車輛發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)隔振率測試

表1

由以上試驗數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機(jī)懸置隔振性能略差，建議優(yōu)化。

4.3 車輛方向盤、駕駛室及懸置系統(tǒng)測試

圖1

表2

由以上試驗數(shù)據(jù)可知，方向盤振動RMS 為0.54g，駕駛室懸置隔振性能及駕駛振動加速度可接受，非引起方向盤抖動主因。

4.4 試驗測量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動剛度

圖2

由以上圖示可知，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在37.8Hz 固有頻率，該頻率與發(fā)動機(jī)怠速3 階激勵頻率37.5Hz 接近，引起方向盤劇烈振動。

5 整改方案

5.1 發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)

由于缺少發(fā)動機(jī)、變速箱慣性參數(shù)，無法進(jìn)行6 自由度模態(tài)分析，因此進(jìn)行簡化計算懸置系統(tǒng)垂向跳動頻率為12.4Hz，具體計算公式如下：

其中Fz 為動力總成懸置系統(tǒng)垂向跳動頻率，m 為動力總成重量；K 為四點(diǎn)懸置絕對坐標(biāo)系垂向動剛度之和；

由主觀評價可知動力總成懸置系統(tǒng)未產(chǎn)生明顯共振現(xiàn)象，但理論計算系統(tǒng)垂向固有頻率偏大，需將懸置軟墊動剛度降低50%，懸置軟墊動靜比由1.7 降低至1.4，確保懸置系統(tǒng)足夠靜剛度及軟墊合理蠕變量。

5.2 發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速

發(fā)動機(jī)原型機(jī)開發(fā)怠速為750rpm，發(fā)動機(jī)進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，影響發(fā)動機(jī)原始排放，變動大周期長，該方案實施難度大。

5.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動剛度

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在37.8Hz 固有頻率，距離發(fā)動機(jī)三階激勵頻率37.5Hz 間隔0.5Hz，產(chǎn)生共振，抖動劇烈，用戶無法接受。

圖3

轉(zhuǎn)向通過增加轉(zhuǎn)向管柱支架連接剛度，提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率至41.5Hz，大于激勵頻率3Hz，具體支架動剛度如上。

5.4 整改方案綜合決策

（1）發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)無需開模，整改成本低，方案可實施；

（2）發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速調(diào)整成本高周期長，暫不實施；

（3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動剛度通過改進(jìn)轉(zhuǎn)向管柱支架Y 向剛度，提升系統(tǒng)固有頻率，方案可實施。

5.5 整改驗證

（1）發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)隔振率優(yōu)化

表3

由上表可知：發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)隔振率明顯優(yōu)化，平均隔振率由59.6%提升至71.0%；該方案發(fā)動機(jī)懸置后(車架端)振動降低幅值明顯，處于較好水平。

（2）方向盤及駕駛室振動

圖4

經(jīng)過驗證方向盤振動幅值由0.54 下降至0.06，滿足用戶使用要求。

6 結(jié)論

（1）本文結(jié)合實際案例明確了怠速抖動的問題排查流程及關(guān)鍵工作內(nèi)容。

（2）文中展示了主觀評價方法及流程，通過專業(yè)人員的主觀評價，主要振動問題基本可以得到初步確定，至少故障診斷范圍大幅縮小，為NVH 試驗硬件設(shè)施要求，試驗方案提供指引。

（3）文中列舉了車輛典型測試系統(tǒng)及測量點(diǎn)振動試驗，并通過動剛度試驗，佐證了NVH 試驗中固有頻率的猜測。

（4）文中提供了多種切實可行的整改方案，通過項目運(yùn)行綜合決策，對最有價值方案進(jìn)行實施驗證。

通過以上分析，文中主要提供了重卡方向盤故障診斷的方法及優(yōu)化方案，其次介紹了基于整車試驗方法及綜合決策的開發(fā)流程及方法，大大提升重卡的開發(fā)效率。