某車型方向盤和車身抖動(dòng)問題的分析和優(yōu)化

謝貴山，趙肖斌，覃鵬飛，黃金旺

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，顧客對汽車質(zhì)量、安全、NVH的關(guān)注度也越來越高，提升汽車的NVH性能已成為國內(nèi)外各大主機(jī)廠的重要研究工作，而改善汽車的NVH性能主要通過研究和解決汽車運(yùn)行過程中的噪聲、振動(dòng)以及舒適性問題。汽車的方向盤和車身是影響顧客駕駛感受的重要因素，方向盤和車身的抖動(dòng)容易造成駕駛員和乘員的疲勞，從而影響乘坐舒適性和駕駛體驗(yàn),甚至?xí)绊懙叫熊嚢踩?。因此，汽車抖?dòng)問題也愈發(fā)受到重視，汽車行業(yè)對汽車抖動(dòng)問題進(jìn)行深入研究和探討[1-4]。

本文針對某車型的方向盤和車身抖動(dòng)問題，利用有限元軟件進(jìn)行原因分析，識別問題區(qū)域，并探索解決方案，最后對實(shí)車進(jìn)行了驗(yàn)證，從而提升了整車的NVH性能。

1 SUV車型的NVH問題

某SUV車型的部分成品車在怠速開啟空調(diào)時(shí)，出現(xiàn)方向盤抖動(dòng)嚴(yán)重的情況，且車內(nèi)有壓耳膜感。正常車與抖動(dòng)車的加速度振動(dòng)頻響分析如圖1所示，故障車在43 Hz處方向盤X、Y、Z向振動(dòng)響應(yīng)比正常車大3倍左右：正常車在43 Hz處方向盤振動(dòng)峰值分別為0.45、0.21、0.35 m/s2，故障車輛的振動(dòng)峰值分別為3.42、2.18、2.24 m/s2。基于以上分析，該車型在43 Hz方向盤及車身處存在抖動(dòng)問題，提升該車怠速開空調(diào)工況抖動(dòng)性能，需要降低43 Hz方向盤及車身振動(dòng)響應(yīng)。

圖1 正常車與抖動(dòng)車的加速度振動(dòng)頻響分析

2 NVH問題的原因分析

本文對出現(xiàn)的方向盤和車身抖動(dòng)問題進(jìn)行實(shí)車排查分析，即對整車子系統(tǒng)進(jìn)行全面診斷分析，通過深入診斷分析找出了問題的根源所在，并進(jìn)行了優(yōu)化，從而提升了整車NVH性能。車輛抖動(dòng)問題原因的分析流程如圖2所示。

圖2 車輛抖動(dòng)問題原因的分析流程

由圖2可知，造成方向盤和車身抖動(dòng)的主要原因有動(dòng)力總成、電子扇振動(dòng)傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲、電子扇本體噪聲的空氣傳遞等，下面對各激勵(lì)源和傳遞路徑進(jìn)行測試確認(rèn)：

(1)空氣傳遞主要是發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲傳遞和電子扇本體噪聲傳遞，對前艙進(jìn)行了超聲波測試確認(rèn)，確認(rèn)密封和隔聲符合要求，排除此原因。

(2)振動(dòng)傳遞主要是動(dòng)力總成振動(dòng)傳遞和電子扇振動(dòng)傳遞。對發(fā)動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行了振動(dòng)測試，對壓縮機(jī)本體進(jìn)行了隔振率測試，確認(rèn)振動(dòng)和隔振率符合要求，排除此原因。

(3)前懸掛是電子扇傳遞路徑之一，對副車架到車身隔振率測試，確認(rèn)隔振符合要求，排除此原因。

(4)對電子扇進(jìn)行動(dòng)不平衡量測試和隔振率測試，發(fā)現(xiàn)動(dòng)不平衡率和隔振率超標(biāo)，最終確認(rèn)導(dǎo)致該車型在怠速開空調(diào)工況下出現(xiàn)方向盤和車身抖動(dòng)問題的根本原因是電子扇動(dòng)不平衡量超標(biāo)及其隔振不足引起。

根據(jù)上述分析和測試排查說明，該車型在怠速開空調(diào)工況下由于電子扇動(dòng)不平衡量超標(biāo)及電子扇隔振不足導(dǎo)致方向盤和車身抖動(dòng)問題發(fā)生。

3 NVH問題的解決方案

針對電子扇動(dòng)不平衡量超標(biāo)屬于零件質(zhì)量問題，供應(yīng)商通過生產(chǎn)質(zhì)量的控制得到了解決。針對隔振不足的問題，可通過減小阻尼比，降低位移傳遞率，提升隔振效果。提高電子扇安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度，對散熱器安裝點(diǎn)與車身進(jìn)行間隙配合設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少振動(dòng)傳遞。散熱器和電子扇在車身上的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，其截面結(jié)構(gòu)如圖4所示，散熱器通過上、下一共4個(gè)隔振橡膠固定在車身上、下彎梁上，隔振橡膠對散熱器的振動(dòng)傳遞具有隔振作用。改變隔振橡膠的隔振率是解決該車型方向盤和車身抖動(dòng)問題的關(guān)鍵，目標(biāo)是通過改進(jìn)隔振橡膠來衰減激勵(lì)能力傳遞，以下對隔振橡膠進(jìn)行了4種改進(jìn)方案的分析和對比。

圖3 散熱器和電子扇在車身上的安裝結(jié)構(gòu)

圖4 散熱器和電子扇在車身上的截面結(jié)構(gòu)

3.1 改進(jìn)方案1

將散熱器上隔振橡膠內(nèi)徑擴(kuò)大1 mm，使散熱器上安裝點(diǎn)與車身間隙配合。原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案1結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案1結(jié)構(gòu)示意

原狀態(tài)與改進(jìn)方案1的效果對比見表1。由表可知，方向盤X、Y、Z向振動(dòng)分別降低了2.46、1.74、1.57 m/s2，車身抖動(dòng)改善明顯，但仍存在抖動(dòng)感。

表1 原狀態(tài)與改進(jìn)方案1的效果對比 單位:m/s2

3.2 改進(jìn)方案2

將散熱器下隔振橡膠內(nèi)徑擴(kuò)大2 mm，使散熱器下安裝點(diǎn)與車身間隙配合。原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案2結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。原狀態(tài)與改進(jìn)方案2的效果對比見表2。由表可知，方向盤X、Y、Z向振動(dòng)分別降低了1.00、0.59、0.58 m/s2，車身抖動(dòng)改善不明顯。

圖6 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案2結(jié)構(gòu)示意

表2 原狀態(tài)與改進(jìn)方案2的效果對比 單位:m/s2

3.3 改進(jìn)方案3

將散熱器上、下隔振橡膠內(nèi)徑分別擴(kuò)大1、2 mm，使散熱器下安裝點(diǎn)與車身間隙配合。上下隔振原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案3結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。原狀態(tài)與改進(jìn)方案3的效果對比見表3，由表可知，方向盤X、Y、Z向振動(dòng)分別降低了2.39、1.78、1.47 m/s2，車身抖動(dòng)改善明顯，但仍存在抖動(dòng)感。

圖7 上下隔振原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案3結(jié)構(gòu)示意

表3 原狀態(tài)與改進(jìn)方案3的效果對比 單位:m/s2

3.4 改進(jìn)方案4

將散熱器上隔振橡膠內(nèi)接觸面采用花鍵形式，使散熱器與車身配合存在松動(dòng)。原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案4結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。原狀態(tài)與改進(jìn)方案4的加速度振動(dòng)頻響對比如圖9所示。

圖8 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案4結(jié)構(gòu)示意

圖9 原狀態(tài)與改進(jìn)方案4的加速度振動(dòng)頻響對比

原狀態(tài)改進(jìn)方案4的效果對比見表4。由表可知，方向盤X、Y、Z向振動(dòng)分別降低了2.83、1.70、1.79 m/s2，且較接近目標(biāo)值0.4 m/s2，車身無抖動(dòng)感。改進(jìn)方案4比之前3個(gè)改進(jìn)方案有明顯改善效果，而且車身抖動(dòng)問題得到解決，后期對改進(jìn)方案4進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。

表4 原狀態(tài)與改進(jìn)方案4的效果對比 單位:m/s2

4 方案驗(yàn)證

散熱器上隔振橡膠采用花鍵形式，并經(jīng)實(shí)際裝車驗(yàn)證。結(jié)果表明，方向盤振動(dòng)X向降低了1/2，Z向降低了0.2～0.8 m/s2。因此該方案能有效衰減來自電子扇X向以及Z向的振動(dòng)往車身的傳遞，改善整車怠速開空調(diào)抖動(dòng)問題。

散熱器上隔振橡膠內(nèi)接觸面采用花鍵形式共驗(yàn)證了5臺車，原狀態(tài)與改進(jìn)方案的振動(dòng)驗(yàn)證結(jié)果對比見表5。由表可知，方向盤的X向加速度降低了0.52～1.91 m/s2，Y向降低了0.04～0.25 m/s2，Z向降低了0.2～1.41 m/s2，電子扇主動(dòng)側(cè)X向降低了0.1～0.34 m/s2，Y向降低了0.01～0.33 m/s2，Z向降低了0.47～1.58 m/s2，電子扇被動(dòng)側(cè)X向降低了0.06～0.11 m/s2，Y向降低了0.11～0.36 m/s2，Z向降低了0.09～0.31 m/s2，降幅范圍為10%～70%，改善效果明顯。

表5 原狀態(tài)與改進(jìn)方案的振動(dòng)驗(yàn)證結(jié)果對比 單位:m/s2

5 結(jié)束語

本文對某車型在43 Hz處方向盤和車身抖動(dòng)大的問題進(jìn)行分析，通過振動(dòng)、隔振率、動(dòng)不平衡量超聲波測試確認(rèn)了故障原因?yàn)殡娮由鹊膭?dòng)不平衡量和隔振率超標(biāo)，研究了提升散熱器隔振方案。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)采用花鍵隔振橡膠方案隔振最優(yōu)，經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證該改進(jìn)方案改善效果顯著，降低了方向盤和車身的抖動(dòng)，滿足質(zhì)量目標(biāo)要求，提升了整車NVH性能。采用花鍵隔振橡膠是有效解決散熱器隔振問題方法，是解決此類問題的可行方法，對解決方向盤和車身抖動(dòng)問題具有參考價(jià)值。