汽车方向盘怠速抖动的测试分析及结构改进

徐 宁

(重庆力帆乘用车有限公司， 重庆 400700)

某四缸机汽车怠速不开空调时，发动机转速为780 r/min，方向盘轻微抖动。怠速全开空调后，发动机转速为880 r/min，方向盘抖动明显；发动机转速提升至1 500 r/min时，方向盘抖动消失。为解决怠速全开空调时方向盘抖动问题，本文通过测试分析的手段，找到响应(方向盘)、激励源(发动机)、响应与激励源中传递路径上的相关零部件三者之间的关系[1]，从而彻底解决方向盘抖动问题。

1 响应的测试分析

发动机是怠速状态下唯一的根本激励源[2]，因该车发动机为四缸机，怠速不开空调时发动机转速为780 r/min，计算得出发动机转动的1阶频率为13 Hz，2阶频率为26 Hz；怠速全开空调后发动机转速为880 r/min,计算得出发动机转动的1阶频率为14.7 Hz，2阶频率为29.3 Hz。

为解决方向盘抖动问题，将方向盘视为响应，使用LMS频谱分析仪，测试发动机怠速状态下的方向盘抖动情况。根据测试结果可知：怠速不开空调时，方向盘的振动频率为25.6 Hz，与转速在780 r/min时的发动机2阶频率26 Hz很接近；怠速全开空调时，方向盘的振动频率在29.14 Hz，与转速在880 r/min时的发动机的2阶频率29.3 Hz很接近；随发动机转速的变化，方向盘振动频率与发动机2阶激励频率高度吻合[3]，发动机怠速激励特性通过相应路径传递到了方向盘上。

因方向盘固定于整车上，还需测试装车状态下方向盘的固有频率。使用LMS频谱分析仪，测试发动机熄火装车状态下方向盘的固有频率，从而确定方向盘本体是否容易被发动机怠速振动所激励，测试数据如图1和图2所示。

图1 方向盘装车状态固有频率(左右向)

图2 方向盘装车状态固有频率(前后向)

通过测试数据可以看出，方向盘装车状态下的左右向固有频率为29.32 Hz，前后向固有频率为29.17 Hz，正好和发动机在880 r/min时的2阶频率比较接近，如果传递路径中有频率接近29 Hz的零部件，频率29.3 Hz的发动机振动很容易通过该零部件传递到方向盘上。故需要在传递路径中找到接近这一频率的零部件，并提高或降低该零部件的频率，从而阻隔该振动频率的传递[4]。

2 传递路径的测试分析及改进

2.1 传递路径分析

通过结构分析，找到2条从激励源发动机到方向盘之间的传递路径：一是发动机→副车架→方向机→转向管柱→方向盘;二是发动机→白车身→转向管柱→方向盘。

为快速弄清问题的原因，本次未采用传递路径分析法，而是将路径之中的零部件解析出来，逐个分析各零部件的模态特性。

2.2 方向盘自身刚度测试

确认方向盘本体刚度，判断是否是自身刚度不足引起方向盘抖动。使用LMS频谱分析仪对问题车和标杆车方向盘的自由模态进行测试，问题车和标杆车方向盘模态分布如表1所示。

表1 问题车/标杆车方向盘自由模态

问题车方向盘结构是参考标杆车方向盘结构设计的，故需与标杆车方向盘的固有频率进行比较来判断问题车方向盘刚度是否满足设计要求。从模态频率看，问题车方向盘的1阶固有频率是远高于标杆车方向盘的1阶固有频率的，由于固有频率能够反映结构自身的刚度特性，且不随激励源发动机转速的变化而变化，故方向盘的自身刚度满足设计要求。

从模态振型看，骨架支撑面、方向盘轮辐和方向盘盘面的结构刚度足够，没有特别薄弱的地方。

结合方向盘的固有频率和模态振型，可以排除是方向盘自身刚度不足引起方向盘抖动的因素。

2.3 发动机刚体模态测试

对发动机的刚体模态进行测试，分析是否是发动机的各阶刚体模态与方向盘的模态频率接近而引发的方向盘抖动[5]。发动机刚体模态分布如表2所示。

表2 发动机刚体模态

从测试结果看，发动机刚体模态频率均低于18 Hz，小于发动机怠速的2阶频率26 Hz和29.3 Hz，也不与怠速1阶频率13 Hz和14.7 Hz接近。故排除是发动机自身的影响。

2.4 副车架模态测试

对副车架的模态进行测试，分析是否是副车架模态与方向盘模态接近产生的共振[6]。采用LMS频谱分析仪对副车架模态进行测试。副车架模态分布如表3所示。

表3 副车架模态

从测试结果看，副车架模态的最低频率为47.1 Hz，远高于发动机怠速的2阶频率29.3 Hz，故排除是副车架的影响。

2.5 白车身模态测试

对白车身的模态进行测试，分析是否是白车身模态与方向盘模态接近产生的共振[7-8]。采用LMS频谱分析仪对白车身模态进行测试。模态分布如表4所示。

表4 白车身模态

从测试结果看，白车身模态频率1阶23.9 Hz，2阶28.7 Hz均不在发动机怠速振动频率附近，故排除共振的可能性；另外考虑结构刚度的影响，因白车身前轮罩为固定发动机悬置衬套的位置，前围钣金处为固定转向管柱的位置，故对两处位置进行结构刚度确认，从白车身模态频率在30 Hz以下的1阶和2阶模态振型进行来看，两处结构刚度足够。故排除是白车身的影响。

2.6 转向系统模态测试

上转向管柱与方向盘采用渐开线花键连接，故将方向盘、上转向管柱、横梁和支架作为转向系统来分析[9]，结构示意图如图3所示，采用LMS频谱分析仪测试转向系统在装车状态下的模态分布，测试结果如表5所示。

1—方向盘； 2—上转向管柱； 3—下转向管柱； 4—横梁； 5—支架

表5 转向系统模态

从测试结果看，转向系统的1阶频率为29.6 Hz，与发动机怠速全开空调时2阶频率29.3 Hz很接近。由此判断，发动机怠速激励频率通过白车身传递可能激发了转向系统的抖动，从而导致方向盘的抖动[10]。从模态振型来看，靠近方向盘端的上转向管柱抖动激烈，初步判断是由上转向管柱引起的方向盘抖动。

2.7 改进及效果

模拟装车状态，对上转向管柱的结构进行CAE分析，发现上转向管柱2阶30.8 Hz弯曲模态变形严重。该模态与全开空调时的发动机怠速频率29.6 Hz很接近，可进一步推断是发动机怠速振动激发了上转向管柱的模态，引发了共振。

上转向管柱弯曲模态变形严重，初步判断是上转向管柱长度太长，形成的悬臂梁结构导致的方向盘抖动。在符合人机工程学的基础上，将上转向管柱长度缩减20 cm。从上转向管柱长度缩短后装车状态方向盘的固有频率的测试数据看，方向盘装车状态固有频率从原来的29 Hz提升到了34 Hz，保证方向盘避开了发动机怠速工况振动频率29.3 Hz。上转向管柱整改前后方向盘装车状态的固有频率数据对比如表6所示。将此对策件装车验证，主观感觉来看，方向盘在怠速全开空调时抖动明显降低，几乎感觉不到抖动；另外，在空调关闭时轻微抖动已消失。测试结果及对比如表7所示，可以看出方向盘的抖动问题得到彻底解决。

表6 整改前后方向盘装车状态下的固有频率对比 Hz

表7 全开空调工况下方向盘振动量测试对比 g

3 结束语

本文主要围绕激励源、振动对象、传递路径中相关零部件展开分析调查，确定激励源特定工况下的激振频率，测试振动对象和传递路径中相关零部件的模态特性(包括频率、振型、刚度等)等，通过振动频率和振型找到激励源、振动对象及传递路径中相关零部件三者之间的对应关系，寻找共振的缘由，从而制定出相应的优化改进措施。