某轻型卡车方盘振动性能改进试验研究

某轻型卡车方向盘振动性能改进试验研究
辛雨姜建中北汽福田汽车工程研究总院分析中心
摘要：方向盘振动影响驾驶员主观感受及健康。

针对某轻卡样车方向盘振动性能，提出了一系列传递路径上改进措施后，仍未达到目标水平。

通过振动及模态测试、传递函数测试等试验分析，确认方向盘振动大是方向盘本体引起：方向盘中心到方向盘12点位置的振动传递函数存在问题，导致方向盘振动大。

经过对方向盘质量进行重新分布，并选用新材料，将方向盘模态分布改变，并优化方向盘中心到12点位置传函后，方向盘振动大问题解决，提高了该轻型卡车整体NVH水平。

关键词：振动，模态，传递函数。

0 引言
随着现代汽车工业的发展，驾驶员和车内乘客对汽车车内振动和噪声的要求越来越高。

作为驾驶员最直接感受的部件，方向盘的振动问题是影响驾驶员驾驶感觉的最重要组成部分。

方向盘如果振动过大，还将影响驾驶员的疲劳感觉及身体健康【1】。

方向盘的振动问题主要有方向盘的纵向振动、横向振动以及摆振等问题。

其中方向盘的纵向振动（即方向盘点头振动）是汽车方向盘振动的最常见形式。

一般来说，方向盘振动问题整改的方法是改变其模态【2-5】，或者改善其传递路径上振动的传递灵敏度【6】。

本文介绍了某轻型卡车方向盘纵向振动的改进过程，采用改变降低方向盘一阶模态频率，优化方向盘固有频率与发动机怠速频率分布后，方向盘振动未达到目标要求。

经过分析，方向盘中心到12点位置的振动传递函数即振型也很大程度上影响了方向盘的振动性能，对此进行整改后，方向盘振动达到目标。

1 问题提出
某轻型卡车开发过程中，发现方向盘怠速振动很大，与设计目标相去甚远。

为了系统的分析该车型方向盘振动问题，建立了方向盘振动模型（激励源-传递
路径-接受者）如图1所示。

由于问题为方向盘怠速振动，路面激励作为激励源在此次整改中不考虑。

悬置 悬置 支架 花键 悬挂 螺栓
万向节
轮胎
转向杆
图1 方向盘振动传递图
经过测试，结果表明方向盘模态频率与发动机怠速频率相同产生了共振。

为消除共振，通过对方向盘采取了增加质量，降低方向盘一阶固有频率；同时，为了降低传递路径上的振动能量传递，优化了发动机的悬置；为了减轻从车身传递到方向盘的振动，加强了方向盘方向管柱与车身之间的支架刚度。

改进后，方向盘振动有所降低，但在怠速工况下的振动仍未满足设计目标。

为了继续改善样车方向盘振动性能，使样车振动水平能够得到客户认可，需要对方向盘的振动原因进行进一步分析及整改。

2 改进前方向盘系统性能 怠速振动
经过测量，怠速时方向盘振动情况如表1所示。

可见方向盘振动最大处为方向盘12点位置Z 向，其值为3.37m/s 2。

主观评价感觉振动较大，不能满足客户要求。

表1 方向盘怠速振动大小
m/s 2
X 向 Y 向 Z 向 方向盘3点 方向盘6点 方向盘9点 方向盘12点
车桥
路面激励
转向机
方向盘
转向管柱
车身 车架
发动机
定置缓加振动
为了更好的研究方向盘的怠速性能，测试了定置缓加速时方向盘的振动，如图2所示。

由图可知方向盘12点位置Z 向振动最大，在800-1000rpm 之间存在5.8m/s 2的峰值。

对方向盘12点位置该振动峰值影响最大的频率在发动机2阶振动的26-33Hz 附近（见图3）。

750.00
2900.00
rpm
0.10
6.00
A m p l i t u d e
m /s 2
0.001.00
A m p l i t u d e
750.00
2900.00
rpm
0.10
6.00
A m p l i t u d e
m /s 2
0.00
1.00
A m p l i t u d e
750.00
2900.00
rpm
0.10
6.00A m p l i t u d e
m /s 2
0.001.00A m p l i t u d e
750.00
2900.00
rpm
0.10
6.00A m p l i t u d e
m /s 2
0.00
1.00
A m p l i t u d e 898.93
图2 定置缓加速工况方向盘各点振动overall 图
（依次方向盘3点，6点，9点，12点；红色X 向，绿色Y 向，蓝色Z 向）
0.00
100.00
Hz
wheel:04:+Z (CH9)
700.002900.00
r p m
T a c h o 1 (T 1)
0.00
3.40
A m p l i t u d e
m /s 2
2.00
27.94
AutoPower wheel:04:+Z WF 108 [753.64-2864.2 rpm]
图3 定置缓加方向盘12点Z 向位置振动colormap 图
3 原因分析 传递路径
方向盘振动传递路径上各测点怠速振动大小见表2。

由该表及怠速传递路径上各测点振动谱图（图4）可知，方向盘12点位置Z 向振动相比其他测点明显偏大，主要原因为18-36Hz 的振动比其它测点大很多。

表2 传递路径上各测点怠速振动大小m/s 2
X 向 Y 向 Z 向 车架 转向机 车身支架 方向管柱顶端 方向盘辅架 方向盘12点
0.00
100.00
Hz
10.0e-6
10.00
L o g
m /s 2
0.00
1.00A m p l i t u d e
18.6735.99
F
AutoPower wheel:14:-Z
F AutoPower wheel:13:-Z
F AutoPower wheel:12:+Z F AutoPower wheel:01:+Z F AutoPower wheel:02:+Z F
AutoPower wheel:04:+Z
图4 怠速方向盘振动传递路径各点spetrum 图 （实线：红色车架，绿色转向机，蓝色车身支架；
虚线：红色方向管柱顶，绿色方向盘辅架，蓝色方向盘12点）
定置缓加速测试时（图5），在800-1000rpm 转速段，转向机和车身支架的振动传递到方向管柱顶端过程中，车身支架的振动较小，说明前期对车身支架的改进有作用；从方向管柱传递到两幅方向盘的辅架上，振动有所放大；从方
向盘辅架传递到方向盘12点位置，振动放大明显。

可见在样车现有状态下，方向盘的振动最大问题在于方向盘的本身特性。

700.00
2900.00
rpm
0.20
6.00
A m p l i t u d e
m /s 2
0.00
1.00
A m p l i t u d e
892.12
F Overall level wheel:14:-Z F Overall level wheel:13:-Z F Overall level wheel:12:+Z F Overall level wheel:01:+Z F Overall level wheel:02:+Z F
Overall level wheel:04:+Z
图5 定置缓加方向盘振动传递路径各点overall 图 （实线：红色车架，绿色转向机，蓝色车身支架；
虚线：红色方向柱顶，绿色方向盘辅架，蓝色方向盘12点）
方向盘模态
对方向盘系统进行试验模态分析【7】，锤击法模态试验得到的综合频响函数如图6所示，根据测试结果分析计算，方向盘点头频率为（图7）。

模态频率低于怠速频率25Hz ，也低于800-1000rpm 转速段的发动机二阶频率（26-33Hz ），模态分离较好，说明方向盘怠速及低转速振动不是方向盘模态频率分布问题。

0.00
204.80
Hz
0.00
7.30
A m p l i t u d e
(m /s 2)/N 0.00
1.00
A m p l i t u d e
22.28
F Sum FRF SUM
图6 方向盘模态综合频响函数图
图7 方向盘振动第一阶模态频率处振型
方向盘中心到12点传函
测量方向盘中心到方向盘12点位置的振动传递函数，发现该传函在18-35Hz 之间相比其它频率时大很多（图8），这意味着，在各频率上分布的振动从方向盘中心传递到方向盘12点时，18-35Hz之间的振动会被明显放大。

结合前面所测试数据，可知方向盘怠速及800-1000rpm之间振动大的原因即为方向盘本身对该频率段振动敏感。

在整个方向盘激励源-传递路径-接受者模型中，振动传递到方向盘中心点后，在从方向盘中心传递到方向盘12点位置过程中18-35Hz之间的振动被放大，导致方向盘整体振动水平大。

0.00
102.40
Hz
0.00
57.00
A m p l i t u d e
/0.00
1.00
A m p l i t u d e
17.5634.87
F
FRF wheel:04:+Z/wheel:01:+Z
图8 方向盘中心到12点位置传递函数图
4 改进方案
根据以上分析，在保持原方向盘外形结构不变的前提下，改变了原方向盘的材料提高刚度及方向盘质量在整个方向盘上的分布，两方向盘照片对比如图9所示。

改进后，方向盘第一阶模态频率改变为，方向盘中心到12点位置的传函在50Hz 以内没有放大（图10）。

图9 原车方向盘与新方向盘样件照片对比
0.00
102.40
Hz
0.00
57.00
A m p l i t u d e
/0.00
1.00
A m p l i t u d e
49.72F FRF wheel:04:+Z/wheel:01:+Z F
FRF wheel:04:+Z/wheel:01:+Z
图10 方向盘中心到12点位置传递函数对比图 （红色：原车方向盘，绿色：新方向盘）
换装新方向盘后，测试方向盘的振动大小，以验证方向盘换装后的怠速及低转速下振动性能。

（1）怠速
经过测试，换装新方向盘后怠速振动情况如表3所示。

换装方向盘后，方向盘本身振动传递情况改善，改进后的方向盘Z 向振动达到了项目初期设定的目标。

在图11怠速方向盘本身振动测点谱图上可以看到，方向盘中心传递过来的振动在31Hz 以前没有放大。

m/s2 X 向 Y 向 Z 向 方向盘中心 方向盘辅架 方向盘12点 原方向盘12点数据
0.00
100.00
Hz
10.0e-6
1.00
L o g
m /s 2
0.00
1.00
A m p l i t u d e
31.24
F AutoPower wheel:F AutoPower wheel:F
AutoPower wheel:
图11 怠速方向盘本身振动测点spetrum 图
（红色方向盘中心，绿色方向盘辅架，蓝色方向盘12点）
（2）定置缓加速工况
换装新方向盘后，定置缓加速工况下各点振动情况如图12。

由图可知方向盘12点位置在800-1000rpm 之间峰值降低到1.89m/s 2。

在振动colormap 图（图13）上可以看到，方向盘在50Hz 以前振动小，提高了方向盘怠速及800-1000rpm 转速段振动性能。

700.00
2900.00
rpm Tacho1 (T1)
0.10
10.00
L o g
m /s 2
0.00
1.00A m p l i t u d e
873.46
1.89
F
Overall level wheel:
F Overall level wheel:
F
Overall level wheel:
图12 定置缓加速工况方向盘各点Z 向振动overall 图 （红色方向盘中心，绿色方向盘辅架，蓝色方向盘12点）
1.00
1024.00
Hz
wheel:04:+Z (CH9)
700.002900.00
r p m
T a c h o 1 (T 1)
0.00
3.40
A m p l i t u d e
m /s 2
2.00
50.00
图13 换装后定置缓加速工况方向盘12点Z 向振动colormap 图
5 结论
对方向盘进行结构和性能设计过程中，仅仅考虑其整体模态频率分布并不足够。

还需对方向盘振动振型，方向盘各测点之间振动传递情况进行控制，才能设计出振动性能优良的产品，提升整车NVH 水平。

在本次方向盘振动改进过程中，通过改变方向盘材料及方向盘质量分布，优化了方向盘中心到方向盘12点位置的振动传递性能。

优化后，方向盘50Hz 以前振动传递性能改善，降低了怠速及低转速方向盘振动水平。

改进后方向盘振动大小达到原本样车设计目标。

本次方向盘振动性能改进后，方向盘本身各位置振动水平基本一致；继续改进方向盘振动情况需从改进整车振动方面着手，优化动力总成悬置、车身悬置，改进方向管柱支架，降低方向管柱振动。

百度文库- 让每个人平等地提升自我
参考文献：
1庞剑等汽车噪声与振动-理论及应用
2谢明睿黄炯等基于LMS 的怠速方向盘振动优化
3苏朗，周鋐等基于LMS 的某中型客车的怠速方向盘振动优化
4吴行让，谭万军等试验模态分析在方向盘怠速抖动控制中的应用5李芳龙，王其东汽车方向盘振动的优化研究
6慕乐，周鋐基于传递路径分析的方向盘振动路径识别和控制
7傅志方模态分析理论与应用
11。