某微型车方向盘抖动控制策略

赵红飞 丁晓明 吕俊成

（上汽通用五菱汽车股份有限公司）

近年来方向盘的振动问题一直是国内外学者研究的热门话题。文献[1]通过研究轮胎的非均匀性、轮胎气压以及路面-轮胎的激励力，找到了方向盘振动的主要影响因素；文献[2-3]分析了制动扭矩波动和底盘振动传速灵敏度对方向盘振动的影响，并进行了视频和时域的验证，为分析方向盘振动提供了很好的方法。文章针对某微型车在路试阶段出现的方向盘抖动严重的问题，采用试验分析、数据统计、模态测试并结合专家动态感知评审的方法，对该问题进行评价并提出问题解决途径。

1 问题背景与相关测试

1.1 问题背景

某微型车在各造车试验阶段中均出现时速在80 km/h以上时，方向盘抖动较严重的现象，不仅影响汽车的安全驾驶，同时也会引起客户的抱怨。而至今没有一个评价方向盘振动的具体标准，只是通过人为的主观评价来判断。这就导致了问题在处理过程中无标准可依，在以后发生类似问题时也无法判断其可靠性。图1示出汽车转向系统的构成示意图。

1.2 相关测试

文章通过使用LMS Test.Lab系统对抖动汽车进行转向系统及其子系统零件的动静态测试，得到一系列数据反馈。由数据显示可以看出，该车型的方向盘在抖动过程中最大的振动加速度达到0.95 g，由于振动加速度过大，造成人手在握方向盘时会有振手感觉。图2示出该车型在车速为110 km/h时方向盘的Y向振动加速度曲线图。

经过采取各种补救措施，组织相关专家进行动态感知评审，并进行多次相关测试得出：方向盘Y向振动加速度为0.17 g时为客户可接受状态；方向盘Y向振动加速度为0.21 g时，方向盘抖动情况较严重，客户不能接受。

1.3 改进目标

经过对数据的分析研究及专家的动态感知评审，确定该问题的解决目标：

1）主观评价车速在≤130 km/h时，方向盘再无抖动现象；

2）方向盘Y向振动加速度标准值的确定。

改进目标的确定分3步进行：

1）采取一系列短期措施，将所有抖动汽车分为“抖动可接受”与“抖动不可接受”2种状态。

2）对这些汽车进行测试，选取该车型2种状态下方向盘振动加速度最为接近的2个值，其中，可接受状态的方向盘Y向振动加速度为0.17 g，不可接受状态的方向盘Y向振动加速度为0.21 g。

3）通过比较分析，考虑其他不可控因素的影响，确定当车速≤130 km/h时，方向盘抖动可接受状态为振动加速度＜0.15 g。

图3示出方向盘Y向振动加速度曲线图。

2 原因分析与确认

2.1 原因分析

经过测试以及专家的动态感知评审，得到车速在110 km/h附近时的方向盘抖动最为严重，根据计算，此时轮胎的转动频率约为17 Hz（其中含有车速表精确度的影响）。图4和图5分别示出方向盘与转向节的Y向频谱。根据图4和图5显示，在17 Hz附近，方向盘和转向节（转向节为轮胎测试点）均达到最大振动加速度值，因此，可确定轮胎为方向盘振动的主要激励源。

将激励源轮胎在动平衡机上进行调试，发现抖动汽车均存在轮胎动平衡质量不合格，导致轮胎在实际转动中出现振动或摆动。

对转向系统（方向盘、转向管柱、转向器、转向拉杆及转向节）进行动态测试，得到传递函数结果，如图6所示。从图6可以看出：转向器测试点在17.5 Hz时，与轮胎激励形成共振，从而将振动放大；转向中间轴下端（转向器上端）测试点在17.5 Hz时，振动也有放大，但相比转向器测试点放大幅度较小。

对方向盘进行模态测试，得到方向盘的1阶模态为27.75 Hz，这与振动频率不一致，因此不会存在共振问题。对转向系统进行模态测试，得到结果如图7所示，转向系统1阶模态为17.97 Hz，与方向盘实际抖动关键频率吻合，又与轮胎激励频率相近。

2.2 原因确认

由以上分析可知，该车型方向盘抖动的主要原因是转向器模态与轮胎高速转动频率发生耦合。具体分解到各个零件为：

1）轮胎作为激励源，动平衡质量不合格，从而引起较大幅度的振动和摆动，是主要原因；

2）转向器将轮胎激励放大，是主要原因；

3）转向中间轴振动有所放大，但相比转向器放大幅度较小，是次要原因；

4）方向盘1阶模态为27.75 Hz，与振动频率无关，是次要原因；

5）转向管柱和转向拉杆振动频率与激励无共振，是次要原因。

3 关键改进措施与效果对比

3.1 关键改进措施

在严格控制其他因素的前提下，针对转向系统中的关键传递路径（转向器）进行刚度提升。转向器结构，如图8所示。

转向器的改进措施为：

1）导套长度由10 mm增加到16 mm，从而提高转向器子系统的刚度。

2）齿轮齿条间隙调节：控制齿轮齿条间隙在0.08mm以下。转向齿轮的回转力矩在0.49～1.57N·m（空载状态），力矩波动控制在0.49N·m以内，全行程中齿条最大启动力不超过218N（空载状态）。从而改进转向器齿轮齿条的啮合状态，提高啮合精度以及提高转向器刚度。

3.2 效果对比

将更改后零件进行装车后，主观评价认为汽车方向盘抖动情况改善明显，抖动情况可以接受。另经测试，方向盘的振动加速度已经降至0.12 g（＜0.15 g），完全满足改进目标，如图9所示。

4 结论

与多数方向盘抖动严重问题的解决方案（从轮胎动平衡（激励）以及方向盘模态（响应）方面）不同，文章通过对该车型转向系统的振动测试与数据分析，确定问题产生的主要原因为转向系统的传递路径放大了路面激励。通过有针对性地更改传递路径的有关参数，使方向盘抖动情况明显改善，完全满足改进目标，从而为以后此类问题的分析研究提供了可靠的依据和系统方法。