祝朋飛,葉校瑛,張丹丹
(1.長城汽車股份有限公司,河北 保定 071000;2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063299)
隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭的不斷加劇,越來越多的顧客都開始重視使用車輛的舒適性能。而汽車的振動(dòng)不但會(huì)引發(fā)乘員的不適,而且易造成駕駛員的疲勞,使誤操作的機(jī)率大大增加,容易引發(fā)交通事故,嚴(yán)重影響行車安全性。[1]方向盤擺振是影響駕乘感的一個(gè)重要因素,也是評(píng)價(jià)整車NVH水平的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。因此,近年來方向盤擺振問題一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。方向盤的擺陣可分為低速擺振和高速擺振,駕駛員在怠速或者低速狀態(tài)下對(duì)方向盤的擺振最為敏感[3]。因此,以往對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)分析,側(cè)重于汽車怠速或低速狀態(tài)。而汽車高速行駛時(shí)方向盤擺振問題的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜,根據(jù)不同的情況應(yīng)提出不同的控制措施。本文結(jié)合企業(yè)某型SUV使用過程中方向盤擺振的問題,對(duì)影響方向盤振動(dòng)的激勵(lì)源、主要傳遞路徑及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析,制定了擺振控制策略。本文擬為項(xiàng)目前期的擺振風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo),也可用于快速解決項(xiàng)目后期擺振難題,具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
多起消費(fèi)者反映某型SUV以110~120km/h的車速在水平良好路面行駛時(shí),方向盤沿其圓周方向以約13Hz的頻率擺振,且擺振頻率與車輪一階頻率相當(dāng)。消費(fèi)者強(qiáng)烈抱怨,已發(fā)生多例退車事件,需盡快解決。通過對(duì)售后市場(chǎng)反饋的案例進(jìn)行分析,筆者發(fā)現(xiàn)故障件里程分布多集中在10 000km~30 000km之間。擺振頻率與車輪方向盤擺振由激勵(lì)源和傳遞路徑綜合作用產(chǎn)生[4]。路面不平、車輪動(dòng)不平衡、輪胎本身質(zhì)量不均勻等產(chǎn)生激勵(lì)源,從而導(dǎo)致車輪擺振。車輪擺振由懸架、車身等,傳遞至轉(zhuǎn)向系統(tǒng),最終到達(dá)方向盤,當(dāng)車輪振動(dòng)超出懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抑制能力范圍后,引起方向盤擺振發(fā)生。根據(jù)激勵(lì)源及傳遞路徑建立的某型SUV高速行駛方向盤擺振機(jī)理如圖1所示。
圖1 行車方向盤擺振傳遞路徑
處理擺振問題,常通過降低激勵(lì)源、優(yōu)化傳遞路徑及降低響應(yīng)敏感度等手段[5]。經(jīng)分析,車輪質(zhì)量、剛度、尺寸的不均勻等激勵(lì)源,導(dǎo)致車輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)形成徑向、側(cè)向、縱向力波動(dòng),車輪力波動(dòng)造成車輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)周期性的擺振。所以可通過降低車輪質(zhì)量、剛度、尺寸不均勻來降低激勵(lì)源,但需要車輪廠及車輪裝配廠升級(jí)工藝裝備,具體措施見表1;可增大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來降低響應(yīng)敏感度,但需要轉(zhuǎn)動(dòng)盤供應(yīng)商調(diào)整結(jié)構(gòu)及材料。由此可見,降低激勵(lì)源和降低響應(yīng)過程復(fù)雜、消耗時(shí)間多,增加了整車開發(fā)成本。因此本文側(cè)重從傳遞路徑上對(duì)方向盤振動(dòng)控制加以研究。
方向盤擺振傳遞路徑的控制主要包括2個(gè)方面:一是控制傳遞路徑上部件及系統(tǒng)的模態(tài),實(shí)現(xiàn)部件模態(tài)頻率與激勵(lì)頻率解耦;二是提升系統(tǒng)隔振能力,主要是調(diào)整襯套剛度、阻尼參數(shù)等[6]。經(jīng)研究該型SUV懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過仿真分析及查閱相關(guān)資料,共識(shí)別出3種優(yōu)化方案,如表2所示。
表2 方向盤擺振的優(yōu)化方案
表1 控制激勵(lì)源舉措措施
試驗(yàn)使用加速度傳感器采集某型SUV高速行駛過程中方向盤振動(dòng)的時(shí)間歷程曲線。試驗(yàn)過程中傳感器(采樣頻率500Hz,三向加速度計(jì)量程±30g,頻響0~1 000Hz,非線性度0.1%)與方向盤剛性連接,安裝在方向盤中間位置,如圖2所示。試驗(yàn)車輛以110km/h的速度行駛7~8km,使車輛達(dá)到正常工作狀態(tài)。車輛以車速表顯示110、120km/h的車速行駛,期間駕駛員盡量不對(duì)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行操縱,以保證數(shù)據(jù)的一致性與可靠性。傳感器可測(cè)量x、y、z3個(gè)方向加速度,通過對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,得到方向盤振幅特性曲線(FFT)幅值。
圖2 傳感器安裝
試驗(yàn)將鑄鋼的左前下擺臂總成更換為鋁擺臂,以達(dá)到輕量化的目的。安裝2種下擺臂,由各傳感器記錄的數(shù)據(jù),得到圖3。車輛鑄鋼擺臂試駕時(shí),方向盤擺振峰值振幅對(duì)應(yīng)的加速度為0.36g,如圖2(a)所示;鋁擺臂方向盤擺振峰值振幅對(duì)應(yīng)的加速度為0.33g,如圖2(b)所示,且車輛行駛有明顯異常。由此可見,前下擺臂輕量化對(duì)擺振現(xiàn)象無改善。
圖3 方向盤振幅特性曲線
本次試驗(yàn)往橡膠軸套材料成分中增加炭黑,使大軸套Y向損失系數(shù)從0.17提高到0.21,抑制車輪左右擺動(dòng);在試驗(yàn)車上安裝2種軸套,進(jìn)行高速試車測(cè)試。從各傳感器記錄的數(shù)據(jù),得到圖3、4。圖3為試驗(yàn)車在車速110 km/h行駛時(shí)2種軸套的試驗(yàn)結(jié)果,原軸套方案方向盤擺振峰值振幅對(duì)應(yīng)的加速度為0.80g,如圖3(a)所示;Y向損失系數(shù)提高后的軸套改進(jìn)方案方向盤擺振峰值振幅對(duì)應(yīng)的加速度為0.33g,如圖3(b)所示,方向盤加速度平均降低59%。圖4為試驗(yàn)車在車速120 km/h行駛時(shí)2種軸套的試驗(yàn)結(jié)果,原方案方向盤擺振峰值振幅對(duì)應(yīng)的加速度為0.58g,如圖4(a)所示;改進(jìn)方案方向盤擺振峰值振幅對(duì)應(yīng)的加速度為0.12g,如圖4(b)所示,方向盤加速度平均降低79%。由此可以得出,提高大軸套損失系數(shù)對(duì)行車擺振有很好的改善效果。
圖4 車速110 km/h結(jié)果對(duì)比
圖5 車速120 km/h結(jié)果對(duì)比
試驗(yàn)增大前下擺臂橡膠大軸套損失系數(shù),可改善方向盤擺振問題,又因橡膠軸套的動(dòng)剛度隨頻率變化小,所以會(huì)使NVH性變差。而液壓軸套具有較高的靜剛度來支撐車體重量,且低頻時(shí)大剛度大阻尼,衰減車輪不平衡和路面不平引起的方向盤或車身振動(dòng),可提高舒適性;高頻時(shí)小剛度小阻尼,降低發(fā)動(dòng)機(jī)等高速部件引起的高頻振動(dòng),提高NV H性能。為了兼顧操穩(wěn)、平順、NVH性能和擺振問題,本次試驗(yàn)嘗試將橡膠軸套更換為液壓軸套,如圖5所示。對(duì)2種形式的軸套進(jìn)行試車測(cè)試,記錄各傳感器數(shù)據(jù),得到圖6。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,高速行駛110km/h時(shí),該方案對(duì)高速行駛擺振有很好的改善效果,方向盤加速度平均降低61%。由此可以得出,前下擺臂采用液壓軸套對(duì)行車擺振有很好的改善效果。
圖6 前下擺臂更換液壓軸套
圖7 2種軸套方案對(duì)比
1)通過優(yōu)化舉措,使新生產(chǎn)車輛擺振問題發(fā)生率大幅降低,說明本研究提出的傳遞路徑優(yōu)化方案有效性較好,提高前下擺臂橡膠軸套損失系數(shù)和更換液壓軸套,對(duì)高速行駛時(shí)方向盤擺振改善效果明顯;2)通過優(yōu)化方案,使方向盤擺振問題發(fā)生率大幅降低,但不能完全抑制擺振問題發(fā)生,仍需持續(xù)投入精力研究,找到其匹配優(yōu)化方法。