仪表横梁刚度对方向盘振动影响的研究

张宏亮，于 仙，林华山

（1.华晨汽车集团控股有限公司，辽宁 沈阳 110044；2.集美大学 机械工程学院，福建 厦门 361021；3.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

1 引言

随着汽车工业的发展，人们对汽车舒适性的要求越来越高。汽车舒适性主要采用成员主观感觉的舒适性为主，客观参数测量为辅的方式进行评价。目前方向盘振动也是影响汽车舒适性的重要方面，方向盘振动会影响驾驶员的驾驶心情和情绪、疲劳。

怠速时，主要的振动源是发动机。要降低发动机的振动对其他系统的影响，常用的方法有：隔振、减振和使部件避开发动机的振动频率段[1]。即利用避开发动机振动频率段的思路，通过对怠速时方向盘振动的分析，采用客观参数测量与整车舒适性评价相结合的方法，确定方向盘振动原因及改进措施。

2 怠速时方向盘振动的研究

2.1 怠速时方向盘振动加速度测试

2.1.1 测试目的

客观测量怠速时方向盘x、y、z 方向的振动加速度值，与经验值比较确认是否与主观评价结果相一致。

2.1.2 测试方法及结果分析

实验测试点为方向盘中心点。实验过程中启动发动机，测试空调开启及空调关闭时方向盘中心点的振动加速速度值。测得数据，如表1 所示。表中：1—带安全气囊样车；2—不带安全气囊样车。

表1 方向盘中心振动加速度（改进前）Tab.1 Acceleration at Center of Steering Wheel（unimproved）

由表1 得出，空调关闭时样车（带安全气囊及不带安全气囊）方向盘总振动值分别为0.125g 和0.069g，均大于经验值0.05g（对应主观评价6 分），空调开启时，方向盘总振动值分别达到0.265g 和0.198g，远大于经验值0.1g（对应主观评价6 分）。两种工况下方向盘中心振动值均超出经验值，符合主观评价的结果，即方向盘振动过大，影响驾驶员驾驶时的舒适性。

2.2 方向盘系统固有频率测试

2.2.1 测试目的

对转向系统（包括仪表横梁总成及转向管柱总成）进行模态测试，找出共振频段。

2.2.2 模态实验的理论基础

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是结构振动特性分析、健康检测的一种有效方法，在各种大小型工程结构中得到广泛的应用[2]。

模态实验是将振动理论、振动测量及真实数据分析综合应用的一种实验方法。试验模态分析是人为的对结构物施加动态激励，采集各点的振动响应及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[3-4]。模态有理论计算方法是以模态矩阵作为变换矩阵，将原物理坐标变换到自然坐标，使系统在原坐标下的耦合方程组变成一组互相独立的二阶常微分方程，用求解得到系统各阶模态的振动，模态叠加，回到原物理坐标[5-6]。

2.2.3 测试方法及结果分析

实验测试点为方向盘中心点，测试时，发动机关闭，测试转向系统振动频率。转向系统振动频率（改进前）如表2 所示。

表2 转向系统振动频率（改进前）Tab.2 Frequency of Steering System（unimproved）

已知发动机二阶激振频率为26Hz（热机怠速不开空调）、28.5Hz（热机怠速开空调）[7]。由测试结果可以得出车辆的转向系统模态分析结果显示X、Y 方向第一阶模态频率与发动机二阶模态接近。因此分析，怠速方向盘振动问题主要是由于转向系统第一阶模态频率偏低，在怠速发动机二阶激振频率的激励下所致。应将转向系统第一阶模态频率提高至32Hz 以上，以解决方向盘抖动问题。

3 解决措施

要提高转向系统模态频率，主要针对仪表横梁及转向管柱的安装进行改进以提高系统刚度。仪表横梁作为转向管柱的安装载体，其刚度的提升对整个系统的模态提升起着至关重要的作用[8]。

3.1 仪表台横梁的改进

在仪表台横梁中间增加三角支撑，如图1 所示。对A、C 两处，如图2 所示。钣金件进行焊接加强，如图3 所示。

图1 仪表横梁总成Fig.1 Instrument Panel Cross Member

图2 转向管柱支架总成（改进前）Fig.2 Steering Column（unimproved）

图3 转向管柱支架总成（改进后）Fig.3 Bracket of Steering Column（improved）

3.2 紧固点加强

主要指转向管柱与仪表横梁支架之间的连接部分的加强。转向管柱与仪表横梁支架一般采用螺栓紧固，故首先在仪表台横梁C 点增加2 个M8 螺栓固定点，加强转向柱与仪表台横梁的连接，如图2 所示；其次仪表台横梁A 点处螺栓更换为M8 螺栓从而加大转向管柱与仪表横梁的紧固力矩。

4 改进效果验证

4.1 各项措施模态提升效果对比

实验以样车（带安全气囊）为检测对象进行客观值测量。将转向系统及仪表横梁模态提升措施效果进行对比，如表3 所示。

由表3 可知，仪表台横梁A 点（A、B、C 点定义见图2）连接对转向系统X、Y 方向模态影响均比较大，因此装配过程中，此处连接必须装配到位。在当前设计基础上，在仪表台横梁C 点增加2 个M8 螺栓与转向柱的连接对转向系统X、Y 方向模态影响都非常大。即加强连接点的紧固力矩效果明显。对仪表横梁进行钣金件的焊接加强对X 方向的模态提升较大。且摘掉气囊后模态效果提升较明显，所以该改进效果比较成功。

表3 改进后转向系统模态提升情况Table.3 Improvement of Steering System

4.2 整车转向系统振动及模态对比

改进后的系统振动测试结果，如表4、表5 所示。

表4 转向系统模态（改进后）Tab.4 Steering System Frequency（improved）

表5 方向盘中心振动加速度（改进后）Tab.5 Acceleration at Steering Wheel Center（improved）

改进后，样车带与不带气囊时，转向系统第一阶模态频率均高于32Hz。样车不带气囊状态下，关空调时，怠速方向盘总振动为0.054g，比原状态降低22%，主观评价可接近6 分，开空调时，怠速方向盘总振动为0.151g，比原状态降低24%，主观评价可接近5.5 分，怠速方向盘主观评价综合打分预计高于5.5 分，达到目标值。

样车带气囊状态下，关空调时，怠速方向盘总振动为0.053g，比原状态降低30%，主观评价可接近6 分，开空调时，怠速方向盘总振动为0.139g，主观评价可超过5.5 分，怠速方向盘主观评价综合打分预计高于5.5 分，达到目标值。

5 结论

怠速方向盘振动问题主要由转向系统模态频率与发动机怠速激振频率接近所致。主要解决的思路就是要避开共振频率段，具体措施就是提升仪表横梁的刚度。

通过以上的具体实验分析，对于解决怠速方向盘振动问题我们总结出以下几种方法：

（1）转向管柱与仪表横梁连接处的加固：从案例的实际测量中我们可以看出，转向管柱与仪表横梁的链接方式对系统模态影响较大。有限元分析过程中，我们会将螺栓链接部位等效成刚性连接所以在计算中产生误差，无法正确估计其应力及变形。所以需要以实际测量值核试验的方法为主进行改进。

（2）仪表横梁本身的加强：仪表横梁是转向管柱及方向盘支撑的载体，其强度直接影响转向系统的刚度。可以采用有限元分析与具体实验相结合的方法进行改进。

（3）采用客观测量与主观评价的方法：针对振动方面的舒适性评价需要将主客观相结合才可以正确衡量其舒适性。观评价可以体现驾驶员的主管感受，客观测量可以验证主观感受并提供改进的方向。两者相结合才能更好的解决实际问题。

［1］张永利.怠速方向盘抖动的研究［J］.现代震动与噪声技术，2008（6）：187－188.（Zhang Yong－li.Wheel vibration research at idling［J］.Modern Vibration and Noise Technology，2008（6）：187－188.）

［2］Peters B，Ventura C E.Comparative study of modal analysis techniques for bridge dynamic characteristics［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2003，17（5）：965－988.

［3］【英】D.J.EWINS.模态实验理论与实践［M］.南京：东南大学出版社，1991：13－15.（D.J.EWINS.Modal experiment theory and practice［M］.Nanjing：Dong Nan University Press，1991：13－15.）

［4］李德葆，陆秋海著.实验模态分析及其应用［M］.科学出版社，2001：120－125.（Li De－bao，Lu Qiu－hai.Analysis on experimental modal and its application［M］.Beijing：Science Press，2001：120－125.）

［5］Dong J，ChoiK K，Kim N H.Design optimization for structural－acoustic problems using FEA－BEA with and joint variable method［J］.Journal of Mechanical Design，2004，126（3）：527－533.

［6］Brughmans M，Goosense S，Takei Tetal.Morphing technology applied to body modeling［J］.Auto Vehicle Technique，2003，57（7）：14－20.

［7］宁国宝，张立军，尹东晓，等.制动引起的方向盘抖动现象实验研究［J］.中国工程机械学报，2004（7）：452－453.（Ning Bao－guo，Zhang Li－jun，Yin Dong－xiao，etal.Research on steering wheel vibration induced by brake ［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2004（7）：452－453.）

［8］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2004：55－56.（Yu Zhi－sheng.Automobiletheory［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2004：55－5.）