乘用车怠速方向盘振动优化

潘 威，毕锦烟，许 翔，林寅龙，沈鹏程

（1.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州511434；2.电装(中国)投资有限公司 上海技术中心，上海201107）

乘用车怠速方向盘振动优化

潘 威1，毕锦烟1，许 翔1，林寅龙1，沈鹏程2

（1.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州511434；2.电装(中国)投资有限公司 上海技术中心，上海201107）

某款A级轿车在研发过程中，经过悬置调校后，怠速开空调工况下方向盘振动仍不达标。针对该问题，进行怠速振动分解试验，初步判定发动机冷却风扇转频对方向盘振动有较大的贡献。通过分别查找激励源、主要传递路径及响应点等原因，得出优化冷却风扇减振垫隔振性能是一个重要方向，针对隔振不足重新优化了减振垫，试验结果表明优化后的减振垫具有良好的隔振性能，怠速方向盘振动也达到设定的目标值。

振动与波；怠速；方向盘；减振垫；隔振

车辆NVH(噪声、振动、舒适性)性能已成为区分汽车品牌好坏的重要因素之一[1]。方向盘与驾驶员直接接触，振动过大易引起驾驶员疲劳，对车内舒适性、品牌口碑都有不利影响，优化方向盘NVH性能对提高整车质量有重要意义[2]。一汽海马汽车有限公司谯万成等[3]通过调整转向盘和排气系统的模态频率，解决了怠速时方向盘的抖动问题，从而提高了产品品质；长安汽车工程研究总院的杨亮等[4]通过将发动机怠速目标转速降低50 r/min、驱动轴万向节节型由DO型改为GI型及转向柱结构加强三个方案，有效降低驱动轴传递力及提高转向系统固有频率，使怠速时车内方向盘振动得到有效控制。

本文针对怠速开空调工况下方向盘振动不达标问题，分别对激励源、主要传递路径及响应点进行了分析，判定发动机冷却风扇减振垫隔振不足是一个重要原因。通过优化减振垫结构后重新进行测试，结果表明该减振垫具有良好的隔振性能，怠速方向盘振动也达到了设定的目标值。

1 怠速振动测试

某试验车经过悬置调校后，分别在怠速关空调(默认风扇不启动)和开空调的工况下，测得方向盘12点钟位置的振动，如图1所示，振动加速度传感器位置按照方向盘局部坐标系[5]进行布置。表1为测试结果，表中数值为加速度传感器三个方向(X向、Y向和Z向)振动有效值平方和的平方根，简称振动总值(RSS)，即有

从表1中可以看出，怠速关空调工况下方向盘的振动已满足目标值，但开空调工况下方向盘振动超出目标值，需要继续改善。

图1 方向盘振动测试

开空调后，发动机的转速从730 r/min上升至760 r/min，同时发动机冷却风扇和空调压缩机开始工作，说明激励源的强度和数量均有增加。为进一步分解问题，增加怠速关空调开风扇(此时风扇在低速挡工作)工况，测得方向盘在P挡和N挡的振动值分别为0.49 m/s2和0.41 m/s2，相比于风扇不启动时振动值大幅增加，说明风扇开启对方向盘振动影响明显。

以较明显的P挡为例，将怠速关空调关风扇和怠速关空调开风扇这两个工况下方向盘的振动频谱进行比较，如图2所示。怠速关空调开风扇工况下，方向盘三个方向的频谱在35 Hz处均有明显的峰值，且均大于发动机怠速点火激励频率(24 Hz)处的峰值。同时用激光测速仪测得此时风扇的转速为2 100 r/min，即转频等于35 Hz，刚好与方向盘上的峰值频率相吻合。

2 激励源、主要传递路径和响应点分析

按照解决NVH工程问题的思路，需从激励源、传递路径以及响应点三方面来排查风扇激励频率引起方向盘振动加大的原因。通常情况下，方向盘本体的模态频率在70 Hz以上，与冷却风扇激励频率相隔甚远，难以产生共振，因而可首先排除响应点的影响。

2.1 激励源

发动机冷却风扇是汽车冷却系统的一个重要部件，不仅其声学性能影响整车NVH，其振动特性对乘坐舒适性也有重要的意义。冷却风扇作为常见的旋转零件，当动不平衡量超标时，旋转运动将引起风扇振动过大，从而导致车内方向盘振动过大。检查供应商出具的产品报告，结果显示所提供的冷却风扇的动不平衡量在目标值(30 g·mm)以内。

2.2 主要传递路径

冷却风扇到方向盘的主要传递路径是：

冷却风扇—减振垫—车身—转向管柱—方向盘。

图2 方向盘振动频谱比较

通常车身、转向管柱的模态频率要避开主要激励频率，而车身、转向管柱的模态频率可通过试验模态分析方法(EMA)获得。

2.2.1 车身、转向管柱模态辨识

车身关心频带范围内的模态频率结果如表2，风扇激励频率与最为接近的整车1阶扭转模态频率37 Hz相差2 Hz，基本排除了车身共振的可能。

表2 车身模态试验结果(50 Hz以内)

转向管柱模态测试结果同样显示1阶模态频率为40 Hz，错开激励频率5 Hz，也没有产生共振。

2.2.2 减振垫隔振测试

排除了车身以及转向管柱的影响，需测试冷却风扇减振垫的隔振效果。通过测量减振垫主动侧振动加速度(aa)和被动侧振动加速度(ap)，采用隔振量(TdB)来评价减振垫隔振效果，用分贝(dB)形式表示为

隔振量越大说明隔振效果越好。表3为怠速开空调工况下四个减振垫的隔振结果，各减振垫三个方向的隔振量均不高，基本上均低于10 dB的要求。其中左下位置减振垫的Z方向不但没有起到隔振作用，反而还放大了振动，因而有优化空间。

表3 各减振垫隔振量/dB

3 冷却风扇减振垫优化

针对减振垫的隔振不足，考察了减振垫的结构，如图3(a)所示。冷却风扇总成塑料柱销依靠过盈配合固定在销孔内，因而会造成径向的隔振不足。同时，整个总成的重量主要压在下面两个减振垫上，导致左下和右下两个减振垫Z方向的隔振性能明显差于上面两个。针对以上两个问题点，一是通过扩大减振垫底部销孔来减少过盈配合，二是改善减振垫上部结构来降低减振垫Z方向的刚度，优化后的减振垫如图3(b)所示。

图3 优化前后的减振垫结构

为检验减振垫Z方向的刚度降低引起的风扇总成刚体频率的变化，采用力锤法测得风扇总成刚体频率，图4为冷却风扇上安装的加速度传感器。测试结果发现风扇总成刚体模态频率由原来的33 Hz减小为17 Hz，说明Z方向的刚度改善了很多。怠速开空调工况下新减振垫的隔振结果如表4，各方向的隔振量已明显改善，基本都在10 dB以上。同时测得此时方向盘振动RSS值，P挡为0.29 m/s2，N挡为0.28 m/s2，均已达到目标值。图5为减振垫优化前后方向盘三个方向的振动频谱比较，在35 Hz处的幅值已明显降低，说明优化后的减振垫衰减了更多的振动，这是方向盘振动能够降低的根本原因。

图4 冷却风扇总成频响测试

表4 优化后各减振垫隔振量/dB

4 结语

(1)通过频谱分析判断方向盘振动过大是由冷却风扇转频引起的，依据“激励源—传递路径—响应点”模型进行分析排除激励源与响应点的影响，而传递路径中车身、转向管柱模态测试也显示未产生共振，须从其他路径寻找原因，最终通过隔振测试确定冷却风扇减振垫隔振效率太低是引起方向盘振动过大的主要原因；

图5 优化前后方向盘振动频谱比较

(2)原有的减振垫垂向刚度较大(弹性体以压缩变形为主)，为此设计以剪切变形为主的减振垫，降低隔振系统的固有频率，使隔振性能明显提升，方向盘振动也达到设定的目标值。

[1]庞 剑，谌 刚，何 华.汽车噪声与振动—理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2]徐猛，张俊红，何伟举，等.动力吸振器在方向盘NVH性能优化中的应用[J].噪声与振动控制,2013，(3)：138-141.

[3]谯万成，张铭成，刘旌扬.基于模态分析的汽车转向盘怠速抖动优化[J].汽车技术，2011，(11)：27-30.

[4]杨亮，吴行让，张硕，等.汽车怠速方向盘振动控制研究[J].噪声与振动控制，2011，(5)：80-85.

[5]史文库，邬广铭，陈志勇，等.商用车发动机怠速运转方向盘抖动控制研究[J].振动与冲击，2013，32(8)：189-192.

Optimization of Steering Wheel Vibration of a Passenger Car under Idle Condition

PANWei1,BI Jin-yan1,XUXiang1, LIN Yin-long1,SHEN Peng-cheng2

（1.Automotive Engineering Institute,GuangzhouAutomobile Group Co.Ltd., Guangzhou 511434,China; 2.Shanghai Technical Center,Denso(China)Investment Co.Ltd.,Shanghai 201107,China)

∶In the process of development of a Class-A car,after the calibration of the mount system,the vibration of the steering wheel was still found to be overlarge under the idle condition when the air conditioning was switched on.Aiming at this problem,the idle vibration decomposition test was done.It was found that the rotation frequency of the engine cooling fan had a large contribution to the steering wheel vibration.By searching the excitation source,the main transfer path and the response points,it was concluded that the vibration isolation optimization of the cooling fan is an important measure for the vibration reduction.Then,a new set of damping pad was designed and tested.The test results show that the new damping pad has a good vibration isolation performance,and the vibration of steering wheel can reach the standard under the condition of engine idle.

∶vibration and wave;idle;steering wheel;damping pad;vibration isolation

U461

∶

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.014

1006-1355(2014)06-0061-04

2014-02-18

潘威（1985-），男，湖南浏阳人，硕士，主要研究方向：整车NVH性能研究。

E-mail∶pw286@163.com