某汽车怠速方向盘振动异常原因分析及改进

【摘要】: 某4 缸燃油车在1.6L+CVT 配置样车上进行整车NVH 性能优化过程中，针对空调开方向盘振动偏大问题，经过试验排查，发现前、后悬置受预压力过大导致方向盘振动变大，前端冷却模块框架（塑料）模态及车身前部模态与发动机2 阶激励频率耦合产生共振是导致方向盘振动大问题的根本原因。通过问题排查及方案改进，对整车NVH 问题的优化与解决具有一定的参考价值。

关键词：方向盘，悬置，冷却模块，共振。

引言

随着汽车振动研究迅速发展，振动目标制定得越来越高，理想的振动控制目标应该是令人容易接受的，时间长了也不令人厌烦的、完全符合顾客要求的。因此，汽车的振动性能虽不是汽车的基本性能，但却是汽车的质量指标，随着人们对汽车的进一步认识了解，汽车振动将会决定汽车的销售状况，主宰着汽车市场。汽车的振动性能也毫无疑问成为了非常重要的一项汽车质量指标1。

1. 方向盘振动产生的机理及问题描述

1.1 方向盘振动产生的机理

怠速方向盘振动异常的频率比较低，通常为20-35Hz 之间。振动过大的原因是发动机，风扇等部件的激励频率与转向系统或车身局部模态频率相同或接近。

发动机处于怠速工况时，车身处于静止状态，车身受到的激励全部来自于发动机。发动机的激励通过悬置向车身传递，悬置对激励具有衰减作用。如果悬置没有达到预期的效果，将会导致传递到车身的力过大，引起车身的振动，从而是方向盘的振动偏大2。图1-1 所示是怠速方向盘振动的传递路径3。



发动机的激振力主要包括气体爆发压力和往复惯性力两部分，其内部惯性力系中的不平衡力和力矩是引起振动和噪声的重要激励源。主要存在沿气缸中心线方向和曲轴旋转方向的二阶振动，其主要考虑二阶不平衡力源4。综上所述，样车发动机的激励以2 阶成分为主，怠速开空调时发动机转速780r/min，对应的2 阶激励为26Hz,4 阶激励为52Hz。

1.2 问题描述

对整车状态下怠速空调开车内方向盘振动进行摸底测试，测试工况为定置怠速N 档位，测试结果如图1-2；表1-1 所示。





通过表1-1 数据发现，怠速空调开车内方向盘振动明显偏大，处于同类车型较差水平。怠速方向盘振动存在发动机2 阶、4 阶振动较大，发动机高阶次振动衰减不够等问题。可能与悬置系统、前端散热模块隔振及模态、车身前端模态有关，后续需进一步排查。

2. 前后悬置问题排查及方案改进

2.1 前后悬置问题排查

由于车内噪声及振动发动机二阶较高，首先对悬置系统进行了初步查看5。通过悬置拆解，发现前、后悬置在怠速不受扭矩情况下，前、后悬置分别处于受压状态（见图2-1），考虑到前、后悬置安装在副车架上易对车内振动产生较大影响，采用分别断开前、后悬置进行排查的临时方案。



在转毂上前、后悬置拆除前后方向盘振动结果见下图2-2-图2-4 所示：





分别断开前、后悬置后方向盘振动（发动机2 阶）X、Z 向都有较大幅度降低，这说明前后悬置对方向盘在影响较大，需对前后悬置的隔振效果进行优化。

2.2 前后悬置方案改进

由于前后悬置在正常状态下处于受压状态，会降低悬置隔振效果，因此考虑对前后悬置支架进行了扩孔处理（见图2-5），使得前后悬置在正常安装状态下不受较大压紧力。对后悬置支架扩孔效果进行验证，测试结果见图2-6（上图原装态，下图后悬置扩孔）。





经过扩孔处理使得前后悬置在正常安装状态不受预压力的状态下，方向盘振动有所降低。

3. 前端冷却模块问题排查及方案改进

3.1 问题排查

3.1.1 散热器模块的问题排查

在断开前后悬置状态下，利用断开散热器模块与车身的连接来验证散热器模块对方向盘振动的影响，测试结果见下图3-1（上图断开前后悬置装态，下图断开冷却模块车身连接）：



断开散热器模块与车身的连接后方向盘振动降低近50%，这说明散热器模块振动对方向盘振动影响很大，需对散热器-冷凝器隔振橡胶软垫、冷却风扇等进行优化。

对前端冷却模块框架（塑料）进行模态测试，测试结果及测试示意图见下图3-2 到3-4：



从测试结果看，前端冷却模块框架存在25Hz 绕Y 轴摆动模态，开启前舱盖后频率降低为23.9Hz，与发动机2 阶激励频率（26Hz）相差约2Hz，同样基本上避开了因发动机2 阶激励频率引起的共振。

3.1.2 前舱盖不同状态下的问题排查

在断开除了左右悬置之外的其他主要传递路径后，方向盘振动仍然较大，但在打开前机舱盖状态下X、Z 向的振动降低，Y 向有所增大。为确定前舱盖的影响，对前舱盖安装状态进行改变，并进行试验，测试结果见下
表3-1：



试验表明：前舱盖约束方式及质量分布的改变可能会引起前端冷却模块模态的改变，进而减小方向盘振动。

由于前舱盖闭合状态对方向盘振动有较大影响，为排查方向盘振动的传递路径，在关舱盖状态下，对怠速空调开时IP 管梁进行测试，结果见下表3-2：



通过测试发现，IP 管梁左侧振动明显高于右侧振动，IP 管梁左侧为方向盘振动传递的主要路径。

3.2 方案改进

3.2.1 散热器橡胶隔振软垫方案改进

对散热器刚体模态进行测试，发现Z 向模态频率在32Hz 左右，与冷却风扇一阶转动频率基本重合，容易引起共振。原橡胶垫硬度约65邵氏度，考虑到需降低散热器刚体模态及增加橡胶软垫隔振，将原橡胶垫硬度降低至45 邵氏度，水箱散热器模态频率测试见图3-6。


在原硬度橡胶软垫的基础上，切除部分橡胶适当降低刚度后，测试对车内振动影响，测试结果见图3-7。



安装切除部分橡胶的手工样件方向盘振动在X 向略有放大，Z 向则略有降低。安装硬度为45 邵氏度的橡胶软垫与手工切除部分橡胶样件对比结果见图3-8。



3.2.2 前端冷却模块框架方案改进

为排除前端冷却模块框架影响，手工制作金属前端冷却模块框架，如图3-9 图3-10 所示。



测试结果对比见下表3-3 所示：



通过测试结果看出，改制后的前端冷却框架状态方向盘振动X 向、Z 向均有所降低。

3.2.3 冷却风扇的方案改进

原风扇由于动不平衡量较大，对新优化动平衡风扇（10g）进行测试验证，测试结果见下图16-图17。



优化风扇动平衡后车内方向盘对应的风扇一阶振动降低约50%，效果整体较好。

4.车身前部问题排查及方案验证

4.1 问题排查

由于开、关前舱盖对方向盘振动影响较大，且IP 管梁的左侧是影响方向盘振动的主要传递路径，因此，分别在开、关前舱盖状态下对左纵梁、轮罩上部与A 柱下部区域进行模态测试,测试结果及测试示意图4-1 图4-5所示：







通过测试结果看，开启前舱盖后左纵梁、轮罩上部与A 柱下部区域模态振型没有发生明显改变，但模态频率降低近1Hz，与发动机2 阶激励频率（26Hz）相差约2.5Hz，基本上避开了因发动机2 阶激励频率引起的共振，这也是开启舱盖后方向盘振动降低的原因。

4.2 方案改进

通过测试结果可以看出左纵梁、轮罩上部与A 柱下部区域模态与发动机2 阶激励频率（26Hz）频率接近，引起车身前部共振，从而使振动传递到方向盘。

为了将发动机2 阶激励频率与车身前部模态频率避开，在以上优化方案的基础上，可通过在左纵梁、轮罩上部与A 柱下部区域加26Hz 的吸振器，测试结果如图4-1 所示。





从图4-2 及表4-1 测试结果可以看出加上26Hz 的吸振器后，方向盘振动明显减低，说明此方案有效。在此状态下，方向盘振动达到目标值。

5.总结

此前，针对怠速工况下方向盘振动的研究主要集中在转向系统模态与发动机二阶激励耦合导致的振动被放大。但是，随着汽车NVH 方面研发的投入不断加大，汽车方向盘振动机理更加复杂，因而，我们需要套完整的流程来解决该问题，具体问题具体分析，本文通过优化某车型怠速工况下方向盘振动得到转向系统控制的思路：

1.分析激励源，识别激励源，并最终降低激励源激励，从而降低方向盘振动；

2.优化传递路径，特别是从衰减动力总成到悬置排气吊钩等传递到车身振动；避免传递路径产生共振，使振动被放大，从而传递到转向系统。

3.对转向系统进行合理的避频及刚度设计，减小转向系统结构对激励源的响应6。


作者：王昌昌，崔华阁，李位建，杨春清
作者单位：(中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300)
来源：2020 年第十七届汽车NVH 控制技术国际研讨会论文集