某型商用车方向盘行车抖动控制与结构优化研究

林长波，许恩永，冯高山，展 新

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005）

方向盘作为汽车操纵系统输入端和驾驶员直接接触端，影响着汽车舒适性和驾驶员指令传输准确性，这种振动形式会对驾驶者的操作和健康带来不利影响，评估振动影响需要考虑到振动强度和频率等因素[1]。振动问题通常可以从抑制振动激励、改善振动传递路径和优化机械参数三个方面加以改进[2]。目前，诸多研究者主要集中与致力于解决方向盘怠速抖动问题。文献[3]基于模态分析和振动测试等研究方向盘抖动的影响因素，通过结构优化和轻量化设计进行振动控制。文献[4-7]采用传递路径分析查找方向盘抖动的原因，通过改变悬置系统固有频率解决相应问题，等等。本文针对某型商用车高速行车时出现方向盘抖动严重的问题，采用分析传递路径、试验排查和模态测试分析定位问题主要原因，提出解决方案和优化改进措施，并通过试验以及结合专家动态感知评价进行验证。

1 问题描述

1.1 问题背景

用户反映某型商用车在运营过程中行驶至70～90 km/h的速度时出现方向盘异常抖动现象，严重影响了汽车驾驶舒适性性和行驶安全性，该问题也引起了司机的不满及客户的抱怨，攸关品牌竞争力。为复现该问题，本文对厂内多辆同类型车辆进行路面测试，发现在60～95 km/h车速内都出现不同程度的方向盘左右（Y向）抖动问题，难以满足客户对舒适性的高要求。因此，查找该问题的关键原因和研究解决方案迫在眉睫。

1.2 相关测试

为深入分析问题，本文选择其中一辆振动较为严重的问题车通过LMS Test.Lab系统进行道路振动测试实验，通过三向加速度传感器采集方向盘中心和3点方向的振动数据，如图1所示。获得抖动车速为70～95 km/h时，Y向（左右方向）振动幅值与车速的关系，如图2所示。

图1 传感器布置图

图2 振动加速度与车速关系

由于方向盘抖动没有公认的定量评价标准，只能基于主观评价判断[8]，而司机对于方向盘的振动加速度极为敏感，因此采用振动加速度幅值来评价振动强度[9]。本文通过组织多位专家进行多次动态感知评审和多次相关测试，得出该型商用车方向盘Y向振动小于0.5 m/s2时手感觉不到振动，可定为舒适状态，而大于1.5 m/s2时手感发麻，能见到方向盘左右晃动，且出现重影，定为不可接受状态。由图2测试结果可见，车速为90 km/h时达到最大值，且远超出客户的可接受范围。

2 原因分析与确定题描述

2.1 相关测试

由传递路径分析可知，方向盘抖动激励源主要来自发动机和路面，这些振动经过发动机悬置、悬架和驾驶室悬置等隔振传递到方向盘，传递过程路径复杂，涉及零部件较多，给故障排查带来困难。

为查找原因，文章进行了以下试验测试：1）原地空挡工况，发动机转速从怠速开始，以50 r/min递增，到3 000 r/min.通过测试数据发现，发动机空转时方向盘抖动都在可接受范围；2）行驶工况，无论挂挡还是空挡滑行，车速低于60 km/h或高于100 km/h，方向盘抖动减轻或者消除；3）挂挡将车速提高到100 km/h以上，进行空挡滑行，车速达到原故障车速时故障出现；4）分别挂7档（次高档）和8档（最高档），加速到故障车速时故障出现；5）将方向盘高度调整到最低位置时，方向盘发生抖动时车速升高。如原车故障车速为80 km/h，方向盘高度调整到最低位置后故障车速变为90 km/h.

从上面测试可见方向盘抖动故障与车速相关，与发动机转速和传动轴转速无关。经排查可知，导致问题出现的可能原因有：1）底盘传动系统各零部件质量不合格，导致振动激励过大；2）悬架隔振性能不足，不能有效衰减来自路面的激振力；3）驾驶室悬置隔振性能不足，不能有效衰减来自底盘的激振力；4）转向系统固有频率偏低，与来自底盘的激励频率耦合。

2.2 故障定位

对上述可能因素进行测试和分析，定位故障的主要原因。

（1）底盘传动系统零部件质量不合格，振动过大

对问题车的钢圈、轮胎跳动量测量，发现右前轮胎的跳动量异常（径向：3.64 mm、端面：3.10 mm），钢圈失圆，更换汽车钢圈并全部做车轮动平衡，将备胎与右前轮对调后试车，方向盘依然存在抖动异常。

（2）悬架隔振性能不足

对问题车前桥隔振率进行测试，在90 km/h的隔振率为44.8%.将汽车前钢板弹簧抽掉第三片后再次进行试验，汽车在90 km/h的隔振率为54.1%.随着悬架刚度降低，隔振率提高，但故障情况仍然没有得到解决。

（3）驾驶室悬置隔振性能不足

该测试问题车采用的是半浮驾驶室悬置，将前悬置由原来的橡胶减振更换成螺旋弹簧减振方式，即驾驶室悬置由半浮改成全浮结构，提升驾驶室悬置隔振性能。经测试发现，方向盘抖动现象有所减轻，在90 km/h的振动幅值仍为1.32 m/s2，远达不到用户能够接受的程度。

（4）传动系统固有频率偏低，与来自底盘的激励频率耦合

对该问题车进行详细道路振动试验，获取Y向振动频率与车速关系的瀑布图，如图3所示。从图中可见抖动车速为70～95 km/h，抖动频率约为12.5～17 Hz，频率阶次明显。

图3 方向盘Y向振动瀑布图

根据该测试车辆的相关参数，计算出8档时抖动发生车速的相关频率如表1所示。结合振动瀑布图和相关激励频率可见，90 km/h车速附近振动最大时，该频率对应的是车轮转频的2阶旋转频率。由以上分析可知，该车型高速行车方向盘抖动的主要激励源来自轮胎。

表1 汽车8档相关激励频率

3 转向系统模态分析

对该问题车型的转向系统在约束状态下进行模态分析，得出其固有频率及振型，并通过测试进行模态验证。

3.1 有限元模态分析

本文根据该车型转向系统的参数建立其三维模型，并将模型导入HyperMesh软件中进行网格划分，各零部件之间均按实际情况进行连接，并设置边界和约束条件，在OptiStruct中采用Lanczos方法进行模态分析[10]。转向系统一阶振型为方向盘沿Y向左右晃动，如图4所示，从图中可见该振型的频率为16 Hz.结合图4和表1可见，该频率与900 r/min车速下的车轮转频的二阶频率相重合。

图4 转向系统第一阶模态振型（16Hz）

3.2 试验模态分析

在有限元建模过程中，转向系统模型的简化将导致模型与实际结构存在偏差。因此有必要对实车约束状态下的转向系统做模态测试，验证模型的准确性。本文采用锤击法测试转向系统的测点加速度响应，并提取系统的模态参数[11]。方向盘测点布置。

如图5中（a）所示，力锤分别在转向盘和转向管柱上进行激振，测试结果如图5中（b）中所示。从图中可见，方向盘Y向抖动的频率相应为15.4 Hz，与仿真结果相吻合，与轮胎二阶频率相接近经上述测试分析，可确定该商用车高速行车方向盘抖动是由转向系统固有频率与轮胎二阶旋转激励频率耦合发生共振所致。

图5 转向系统测点布置和测试响应

4 改进方案与验证

解决共振最好的办法就是错开固有频率和激励频率。多自由度系统方程一般形式如下：

式中[M]、[C]、[K]分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{F}为激励力向量。

系统模态是系统的固有特性，与外部条件无关，同时考虑到阻尼对振型和固有频率影响较小，将振动方程进行如下简化：

设解为：{x}={φ}eiωx，从而可得到特征方程为：从特征方程可知，提升系统固有频率最直接有效的方式是减小系统质量或提升系统刚度。目前，该车型方向盘已经做过轻量化处理，改进空间有限。下面寻求通过提升转向系统刚度的途径加以解决。

4.1 提高转向柱刚度

该测试样车转向柱为焊接件，刚度较低。为提升转向柱刚度，将测试样车转向柱更换为铸造结构的转向柱，虽然这样提升了转向系统的刚度，但由于铸件质量有所增加，固有频率降低，经测试1阶模态频率由原来的15.4 Hz降到14.5 Hz，实车测试发现方向盘抖动现象加剧，且抖动车速降低了约5 km/h.因此，该方案不可行。

4.2 提高转向柱支架刚度

在转向柱支架两边各增加一个支架作为加强筋，以提高其刚度，如图6中（a）所示[12]。经模态分析得到转向系统1阶模态提高到了19.2 Hz，在原来的基础上提升了19.3%，如图6中（b）所示。通过实车测试发现方向盘抖动现象消失，问题得以彻底解决。

图6 增加加强筋后结构示意图及模态测试（19.2Hz）

4.3 转向柱支架结构优化

通过增加双支架虽解决了高速行车方向盘抖动问题，但每个支架上需多安装四颗螺钉，影响美观，不宜在量产车型上使用。

本文基于结构分析，对支架结构进行优化和改进，在支架中间槽中增加隔板，且加宽右侧加强筋，如图7中（a）所示。将优化后的转向柱支架安装到转向系统，并进行模态测试，一阶固有频率提高到22.2 Hz，提升了37.9%，如图7中（b）所示。将优化后的支架进行试制和实车试验，行驶至方向盘抖动车速，抖动消失，抖动问题得以解决。

图7 优化的结构对比及优化模态测试

5 结束语

针对汽车高速行车方向盘抖动问题，文章通过传递路径分析、试验排查结合模态测试方法定位并找到方向盘行车振动的根本原因。基于模态分析和共振理论提出增加转向系统刚度的改进方案，并通过优化支架结构提升刚度，改变系统固有频率，避开频率共振区。最后通过仿真和试验验证，结果表明完全满足改进目标，解决了方向盘行车抖动问题，提高驾驶舒适性和行车安全性，从而为此类问题提供工程参考。

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