某轻型卡车方向盘抖动问题诊断与控制

韩建友，许德江，徐向波

（北汽福田汽车股份有限公司奥铃技术中心，山东 诸城 262200）

某轻型卡车方向盘抖动问题诊断与控制

韩建友，许德江，徐向波

（北汽福田汽车股份有限公司奥铃技术中心，山东 诸城 262200）

装备柴油机的轻型卡车容易出现方向盘异常抖动问题，从而严重影响驾驶舒适性。文章针对某轻型卡车，利用振动诊断、测试与模态分析方法研究并确定了方向盘抖动原因，即整车安装状态转向系统固有频率与发动机二阶激励频率相近，从而引起转向系统共振。为控制异常抖动，降低方向盘振动，文章基于虚拟设计方法，提出了改进方案，对转向管柱与仪表板支架横梁连接处进行了优化，经过样件试制、装车和试验验证后表明：改进方案有效控制了方向盘异常抖动，达到了改进设计要求。

方向盘；抖动；诊断与控制；结构优化

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)09-23-03

引言

轻型卡车一般使用柴油机作为动力，柴油机由于其本身特性，振动相对剧烈，其主要激励频率带宽在20~160Hz[1][2]，覆盖了部分关键零部件的固有频率。方向盘是驾驶员直接接触操作的零件，其异常抖动也是装备柴油机的轻型卡车类汽车容易发生的故障问题，严重影响驾驶舒适性[3]，容易造成驾驶员疲劳或身体伤害。

本文针对某轻型卡车方向盘抖动问题进行诊断与分析，并依据诊断结果进行了抖动控制。

1、方向盘抖动试验诊断与分析

1.1 方向盘振动测试

某轻型卡车在发动机转速900~1000r/min时方向盘抖动明显，出现方向盘重影现象，该车在冷启动状态或开启空调状态发动机转速位于该区间，是常用工况[4]。因此，该工况下方向盘的异常抖动必须进行控制。

定义方向盘中心点为坐标原点，12点钟方向为X轴，垂直方向盘盘面方向为Z轴，Y轴符合右手坐标系。在方向盘中心处布置三向加速度传感器，如图1所示。图2为定置发动机匀加转速工况下方向盘X方向振动加速度阶次跟踪图，其它方向与X方向数据相似，不再赘述。从图2可以看出，方向盘处振动主要阶次为发动机二阶，而且在发动机转速900~1000r/min范围内振动幅值明显增大。对问题转速范围内的方向盘振动数据进行转速切片分析，图3所示为发动机转速938.8r/min切片，可以看出，该转速下方向盘处振动峰值频率为31.36Hz。样车发动机为四缸四冲程柴油机，在转速938.8r/min时其主激励频率为31.29Hz，进一步说明方向盘处异常抖动来源于发动机二阶激励。

图1 方向盘处振动加速度传感器布置

图2 定置匀加转速工况方向盘振动加速度阶次跟踪图

图3 定置匀加转速工况方向盘振动转速切片图（938.8 r/min）

图4 定置匀加转速工况驾驶室振动加速度阶次跟踪图

相同工况下驾驶室A柱位置加速度阶次跟踪图如图4所示，同样以发动机二阶振动为主，但其幅值随转速变化不大。由此可排除问题转速下发动机本身振动异常问题。推断方向盘在问题转速范围存在由发动机激励引起的共振问题。为此，需对方向盘及转向管柱系统进行模态测试与分析。

1.2 转向系统模态测试与分析

在整车约束状态下，采用锤击法测试转向系统的模态[5][6]。在方向盘和转向管柱上共布置8个三向加速度传感器，如图5所示。力锤的激励点选择转向管柱中间位置，测得第一阶模态频率为31.9Hz，如图6所示。

方向盘异常抖动时发动机转速范围为900~1000r/min，该范围内发动机二阶激励的带宽为30~33.3Hz，覆盖并接近转向系统第一阶模态频率，由此可确定方向盘异常抖动原因为发动机二阶激励引起转向系统共振。

图5 转向系统模态测试传感器布置

2、方向盘异常抖动的控制方案

改善方向盘的异常抖动，应该改变转向系统固有频率，避开发动机常用转速的激励频率。针对本文样车情况，不宜降低其固有频率，因为有可能引起怠速抖动问题，应加强其结构，提高其一阶固有频率。

图7 转向系统及仪表板支架总成有限元模型

为提高研发效率，拟基于虚拟模型进行改进研究，首先建立了包括仪表板支架总成在内的转向系统有限元模型[7][8]，如图7所示。相对于原结构，对转向管柱与仪表板支架横梁连接处进行了强化，加装了厚度为3mm的加强板，并进行了模态计算，结果表明，转向系统第一阶模态频率提高到40.6Hz，如图8所示。

根据有限元改进和计算结果，设计并实施了加强方案，如图9所示。

图8 转向系统及仪表板支架总成有限元模态计算(40.6Hz)

图9 转向管柱连接支架强化

3、试验验证

首先进行了转向系统模态测试，传感器布置和测试方法与前文相同，测试结果如图10和表1所示。加强后转向系统第一阶模态达到41.8Hz，与有限元计算结果比较接近，已经超出问题转速下发动机二阶激励的带宽范围。

图10 加强后转向系统第一阶模态(41.8Hz)

表1 转向系统模态频率对比

图11 改进前后方向盘处振动加速度幅值对比

对加强方案进行了整车试验验证，试验工况为定置发动机匀加转速，传感器布置位置不变，采集并对比分析了方向盘处振动加速度的幅值，如图11所示。可以看出，在发动机转速900~1000r/min范围内，改进后方向盘处的振动幅值有明显的下降，主观感觉抖动明显减弱，重影现象消失，改进效果良好。

4、结论

针对某轻型卡车方向盘异常抖动问题，本文首先利用测试手段对方向盘振动加速度进行了转速跟踪，进行了转向系统的模态测试，诊断并确认了方向盘抖动原因——发动机二阶激励引起转向系统共振。建立了包含仪表板支架总成在内的转向系统有限元模型，进行了虚拟设计与模态计算，用以指导改进研发与试制。最终确定改进方案，对转向管柱与仪表板支架横梁连接处进行了强化，模态试验表明，强化方案有效提高了转向系统一阶模态。对改进方案进行了整车试验验证，结果表明方向盘异常抖动明显改善。本文的研究方法和成果能够为方向盘及转向管柱总成减振隔振提供工程参考。

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Steering wheel's shaking Diagnosis and control of a light truck

Han Jianyou, Xu Dejiang, Xu Xiangbo
( Ollin R＆D center, Foton, Shandong Zhucheng 262200 )

Light trucks equipped with diesel engines are steering wheel’s shaking-prone, which seriously deteriorate driving comfort.Vibration tests, diagnosis and modal analysis method were used to research and recognize the cause of steering wheel’s shaking of light truck, it was found that the steering wheel’s operating modal frequency is close to the engine’s second order excitation frequency,so the resonance of the steering wheel appears.In order to control the steering wheel’s abnormal shaking and reduce vibration, an improvement plan is proposed based on the virtual design method. A structural optimization design - connection firming between the steering column and the support beam of instrument panel-were presented. The effectiveness and rationality of the improvements were verified through sample preparation, assembly and tests．

Steering wheel; Shaking; Diagnosis and control; Structural optimization

U472.4

A

1671-7988 (2017)09-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.09.009

韩建友，就职于北汽福田汽车股份有限公司奥铃技术中心。