某混動MPV方向盤加速振動問題研究

王亞運 孫福華

【摘? 要】為有效解決某MPV方向盤在發動機轉速到達2500r/min時存在振動大問題，結合問題現象對振動傳遞路徑進行系統分析，使用數據采集設備，確認振動為發動機二階激勵經右懸置傳遞到方向盤。通過調整發動機標定策略避開方向盤振動頻率，并對方向盤輪圈進行優化以降低方向盤盤體一階模態幅值。主觀評價和實車測試表明，實施優化方案后，方向盤振動明顯降低，問題得到有效解決，提升該車NVH性能表現。

【關鍵詞】方向盤；轉向系統；振動；模態分析；主觀評價

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0066-03

【Abstract】In order to effectively solve the problem of vibration of an MPV steering wheel when the engine speed reaches 2500r/min，systematically analyzing the vibration transmission path by combing the problem phenomenon. Combined with the data acquisition equipment，the vibration was confirmed as the second-order engine excitation transmitted to the steering wheel by engine right mount. By adjusting the engine calibration strategy to avoid the vibration frequency of the steering wheel，the steering wheel was optimized to reduce the first-order modal amplitude of the steering wheel body. The subjective evaluation and the car test shows that after implementing the optimization scheme，the steering wheel vibration was significantly reduced，the problem was effectively solved，and the NVH performance of the vehicle was improved.

【Key words】steering wheel；steering system；vibration；modal analysis；subjective evaluation

汽車NVH性能作為衡量汽車品質的關鍵指標之一，已經成為顧客選購車型的重要買點。近些年，國產汽車的NVH性能表現有著跨越式提升，這離不開國內相關汽車行業從業人員為改善汽車性能所做的不斷努力與探索。

一般駕駛工況下，在車輛行駛過程中，車內駕駛員和乘客可以直接感受到振動源并不多，主要來自于方向盤、地板、座椅和車門內板等。方向盤是駕駛員操縱汽車最直接的零部件之一，其振動表現會直接影響到駕駛員的操縱舒適度，因此對方向盤的振動控制向來都是汽車性能開發人員的重點研究領域。當前已有不少高端車型，為了進一步降低發動機怠速下的方向盤振動，率先巧妙地采用了將方向盤氣囊設計為動力吸振器的方式，并取得不錯的減振效果，提升了整車NVH品質。

方向盤是轉向系統的關鍵零件之一。方向盤通過轉向管柱與轉向機相連，轉向管柱由儀表板橫梁固定在車身上，而轉向機由轉向拉桿與車輪軸頭相連接。整個轉向系統與車身的連接比較復雜，所以當發生方向盤振動時，需要系統梳理每一條潛在的傳遞路徑。一般地，引起方向盤振動的主要激勵為動力總成激勵和輪胎激勵，其振動傳遞的主要路徑如圖1所示。

1? 方向盤振動機理分析

1.1? 問題描述

某MVP樣車，在加速行駛過程中，當發動機轉速達到2500r/min左右時，方向盤存在振動大問題，影響了駕駛員行車舒適性。對該行駛工況進行主觀評價打分，得到整車在加速工況下行駛時駕駛員對振動的評價打分為5.5分（表1），需要優化整改。

為了解決該問題，使用專業的數據采集設備，在方向盤的12點處位置布置振動傳感器，采集該工況下方向盤的振動信號并進行處理分析。數據顯示，在一定油門開度下，當發動機轉速到2500r/min左右時，方向盤X向的振動加速度幅值達9.5m/s2（圖2），且振動幅值數據不滿足設計目標要求。

1.2 問題分析

從振動傳遞路徑的角度來分析。汽車在行駛過程中，輪胎快速旋轉并受到路面的激勵產生振動，該振動可能通過多條路徑傳遞給方向盤，導致方向盤振動。由于問題車輛為新能源混動車型，評價發現當該車在純電EV模式相同車速下行駛時，并未出現方向盤振動大的問題，結合方向盤振動數據分析，發現方向盤的振動階次主要表現為發動機二階振動（圖3），故排除輪胎的激勵。

整車在加速過程中，發動機高速運轉并產生振動激勵。結合發動機的工作原理，普通4缸4沖程發動機的激勵以其二階激勵為主，一般主要通過匹配動力總成懸置來有效控制發動機的激勵傳遞。這些懸置通過螺栓固定在車身縱梁或副車架上，雖然設計合適懸置參數能有效阻斷發動機的一部分振動，但是一般在懸置的被動側仍能表現出較明顯的發動機激勵階次。問題車輛動力系統匹配了4個動力懸置，為了確認動力總成對整車振動的影響程度，在每個動力總成懸置的各被動側各布置一個振動傳感器（圖4），使用數據采集設備采集發動機各主被動側3個方向的振動信號進行對比分析。

經對比動力總成各懸置被動側的二階振動數據發現，發動機右懸置被動側Y向和Z向在發動機轉速2500r/min附近（對應發動機二階激勵約為83Hz）有著比較明顯的振動（圖5）。進一步排查，使用模態采集設備，對方向盤模態進行測試，測得方向盤盤體模態頻率為82Hz，與右懸置被動側的振動頻率比較接近。綜上認為，當發動機轉速在2500r/min附近時，其二階激勵在右懸置產生的振動與方向盤模態頻率耦合，導致方向盤存在振動大問題。

2? 優化方案制定及驗證

2.1? 優化分析

結合“振動源-振動傳遞路徑-振動響應體”的排查思路進行梳理，可以做出以下優化分析。

1）方案1：針對振動源進行優化。發動機的二階激勵是引起方向盤振動的激勵源，因此可以調整加速工況下的發動機標定數據，針對一般加速工況，使得整車在正常加速時，調整發動機轉速在上升到2500r/min之前開始降速換擋，以使其激勵頻率避開方向盤的模態頻率。該方案整改難度小，且無需調整任何結構，整改費用低。但需要考慮整車加速動力性能，在部分加速工況下，如當在大油門加速或者高速行駛時，發動機轉速仍會通過2500r/min的共振區間，導致問題復現。

2）方案2：針對振動傳遞路徑進行優化?？梢酝ㄟ^重新調整懸置參數，來降低右懸置被動側的振動，也可以對車身結構進行優化來降低懸置被動側到方向盤的振動傳遞靈敏度，但這類整改方案周期較長、費用較高。

3）方案3：針對振動響應體進行優化?？梢灾苯觾灮较虮P本體，降低其自身的模態靈敏度幅值。

基于該車車型定位和研發周期，由于方向盤振動為自身模態頻率與發動機二階振動激勵頻率耦合，采用方案1和方案3相結合的方式，對方向盤振動問題進行優化。但優化時不僅要考慮方向盤本體的模態靈敏度幅值變化，也要考慮其與轉向管柱和儀表板橫梁在整車上構成的系統模態頻率變化。由于發動機在怠速工況下的標定轉速為1050r/min，對應發動機的二階激勵為35Hz，根據工程經驗，這就要求優化后的轉向系統模態的頻率大于38Hz，以免產生怠速工況下方向盤振動問題。

結合有限元仿真分析對方向盤盤體進行優化，為不改變方向盤的整體外造型，只對方向盤輪圈骨架進行優化分析，目標為使方向盤盤體一階模態靈敏度幅值降低一半。優化后的輪圈骨架截面如圖6所示。對優化后的方向盤進行轉向系統模態分析確認（圖7），轉向系統模態為39.7Hz，滿足設計要求。

制作優化后的方向盤樣件進行盤體模態測試，并將結果與原狀態進行對比，對比結果如圖8所示，優化后的方向盤模態頻率降低4.3Hz，模態頻率對應的幅值為原狀態的45%，滿足優化目標。

2.2? 效果驗證

將優化后的方向盤以工作狀態安裝在整車上，并進行實車加速工況方向盤振動主觀評價。主觀評價認為，當發動機加速到2500r/min左右時，方向盤振動明顯消失，可以接受。該工況下方向盤振動主觀評價打分提升至7.5分。對方向盤振動進行客觀數據測試，將測試數據與原狀態下方向盤振動進行對比，對比結果如圖9所示。方向盤的振動幅值由9.5m/s2下降至2.7m/s2，降低幅值達6.8m/s2。

針對優化后的方向盤在怠速工況下的振動表現情況進行對比評價，主觀評價認為，怠速工況下方向盤振動無明顯變化且無問題，主觀評價打分為8分。在怠速工況下進行客觀數據采集并進行對比，數據顯示，方向盤振動幅值由0.13m/s2變為0.11m/s2，振動幅值變動不大，滿足目標要求。

3 結束語

本文以某油電混合動力MPV為樣本，針對加速工況下方向盤振動大問題進行分析，通過對方向盤振動信號采集分析，得到方向盤的振動主要表現為二階振動。通過采取“振動源-振動傳遞路徑-振動響應體”的排查思路，得出以下方案：①調整發動機轉速換擋策略以避開方向盤模態頻率，可以有效避免方向盤發生共振；②降低方向盤的模態靈敏度幅值，可以有效降低其在共振時的振動幅值。方案經主觀評價和客觀測試對比驗證有效，為同類型的振動排查提供了一定的借鑒思路。

參考文獻：

[1] 湯志鴻. 汽車怠速工況方向盤振動控制研究[D]. 上海：同濟大學，2013：34-38.

[2] 趙龍燦. 某SUV高速行駛下方向盤振動分析與減振措施[D]. 秦皇島：燕山大學，2018：11-21.

[3] 譚萬軍，楊亮，吳行讓，等. 基于ODS與試驗模態分析的方向盤擺振優化[J]. 振動工程學報，2011（5）：498-504.

[4] Dan M，Swayze J，Mathey J. Experimental Method Development for Steering Wheel System Optimization With Integral Dynamic Tuned Absorber[C]//SAE 2005 Noise and Vibration Conference and Exhibition，2005：63-74.

[5] 龐劍. 汽車車身噪聲與振動控制[M]. 北京：機械工業出版社，2015：1-170.

[6] 唐中華，張志飛，陳釗，等. 車內低頻振動噪聲的虛擬傳遞路徑分析[J]. 汽車工程，2020，42（4）：531-536，566.

（編輯? 楊? 景）