某混动MPV方向盘加速振动问题研究

汽车NVH性能作为衡量汽车品质的关键指标之一，已经成为顾客选购车型的重要买点。近些年，国产汽车的NVH性能表现有着跨越式提升，这离不开国内相关汽车行业从业人员为改善汽车性能所做的不断努力与探索。

【摘要】为有效解决某MPV 方向盘在发动机转速到达2500r/min 时存在振动大问题，结合问题现象对振动传递路径进行系统分析，使用数据采集设备，确认振动为发动机二阶激励经右悬置传递到方向盘。通过调整发动机标定策略避开方向盘振动频率，并对方向盘轮圈进行优化以降低方向盘盘体一阶模态幅值。主观评价和实车测试表明，实施优化方案后，方向盘振动明显降低，问题得到有效解决，提升该车NVH 性能表现。

一般驾驶工况下，在车辆行驶过程中，车内驾驶员和乘客可以直接感受到振动源并不多，主要来自于方向盘、地板、座椅和车门内板等。方向盘是驾驶员操纵汽车最直接的零部件之一，其振动表现会直接影响到驾驶员的操纵舒适度，因此对方向盘的振动控制向来都是汽车性能开发人员的重点研究领域。当前已有不少高端车型，为了进一步降低发动机怠速下的方向盘振动，率先巧妙地采用了将方向盘气囊设计为动力吸振器的方式，并取得不错的减振效果，提升了整车NVH品质。

方向盘是转向系统的关键零件之一。方向盘通过转向管柱与转向机相连，转向管柱由仪表板横梁固定在车身上，而转向机由转向拉杆与车轮轴头相连接。整个转向系统与车身的连接比较复杂，所以当发生方向盘振动时，需要系统梳理每一条潜在的传递路径。一般地，引起方向盘振动的主要激励为动力总成激励和轮胎激励，其振动传递的主要路径如图1所示。

图1 方向盘振动传递路径示意图

1 方向盘振动机理分析

1.1 问题描述

某MVP样车，在加速行驶过程中，当发动机转速达到2500r/min左右时，方向盘存在振动大问题，影响了驾驶员行车舒适性。对该行驶工况进行主观评价打分，得到整车在加速工况下行驶时驾驶员对振动的评价打分为5.5分（表1），需要优化整改。

表1 主观评价等级划分

为了解决该问题，使用专业的数据采集设备，在方向盘的12点处位置布置振动传感器，采集该工况下方向盘的振动信号并进行处理分析。数据显示，在一定油门开度下，当发动机转速到2500r/min左右时，方向盘X向的振动加速度幅值达9.5m/s2（图2），且振动幅值数据不满足设计目标要求。

图2 加速工况方向盘振动幅值

1.2 问题分析

从振动传递路径的角度来分析。汽车在行驶过程中，轮胎快速旋转并受到路面的激励产生振动，该振动可能通过多条路径传递给方向盘，导致方向盘振动。由于问题车辆为新能源混动车型，评价发现当该车在纯电EV模式相同车速下行驶时，并未出现方向盘振动大的问题，结合方向盘振动数据分析，发现方向盘的振动阶次主要表现为发动机二阶振动（图3），故排除轮胎的激励。

图3 加速工况方向盘振动频谱图

整车在加速过程中，发动机高速运转并产生振动激励。结合发动机的工作原理，普通4缸4冲程发动机的激励以其二阶激励为主，一般主要通过匹配动力总成悬置来有效控制发动机的激励传递。这些悬置通过螺栓固定在车身纵梁或副车架上，虽然设计合适悬置参数能有效阻断发动机的一部分振动，但是一般在悬置的被动侧仍能表现出较明显的发动机激励阶次。问题车辆动力系统匹配了4个动力悬置，为了确认动力总成对整车振动的影响程度，在每个动力总成悬置的各被动侧各布置一个振动传感器（图4），使用数据采集设备采集发动机各主被动侧3个方向的振动信号进行对比分析。

图4 部分悬置测点位置示意图

经对比动力总成各悬置被动侧的二阶振动数据发现，发动机右悬置被动侧Y向和Z向在发动机转速2500r/min附近（对应发动机二阶激励约为83Hz）有着比较明显的振动（图5）。进一步排查，使用模态采集设备，对方向盘模态进行测试，测得方向盘盘体模态频率为82Hz，与右悬置被动侧的振动频率比较接近。综上认为，当发动机转速在2500r/min附近时，其二阶激励在右悬置产生的振动与方向盘模态频率耦合，导致方向盘存在振动大问题。

图5 悬置被动侧各方向振动对比

2 优化方案制定及验证

2.1 优化分析

结合“振动源-振动传递路径-振动响应体”的排查思路进行梳理，可以做出以下优化分析。

1） 方案1：针对振动源进行优化。发动机的二阶激励是引起方向盘振动的激励源，因此可以调整加速工况下的发动机标定数据，针对一般加速工况，使得整车在正常加速时，调整发动机转速在上升到2500r/min之前开始降速换挡，以使其激励频率避开方向盘的模态频率。该方案整改难度小，且无需调整任何结构，整改费用低。但需要考虑整车加速动力性能，在部分加速工况下，如当在大油门加速或者高速行驶时，发动机转速仍会通过2500r/min的共振区间，导致问题复现。

2） 方案2：针对振动传递路径进行优化。可以通过重新调整悬置参数，来降低右悬置被动侧的振动，也可以对车身结构进行优化来降低悬置被动侧到方向盘的振动传递灵敏度，但这类整改方案周期较长、费用较高。

3） 方案3：针对振动响应体进行优化。可以直接优化方向盘本体，降低其自身的模态灵敏度幅值。

基于该车车型定位和研发周期，由于方向盘振动为自身模态频率与发动机二阶振动激励频率耦合，采用方案1和方案3相结合的方式，对方向盘振动问题进行优化。但优化时不仅要考虑方向盘本体的模态灵敏度幅值变化，也要考虑其与转向管柱和仪表板横梁在整车上构成的系统模态频率变化。由于发动机在怠速工况下的标定转速为1050r/min，对应发动机的二阶激励为35Hz，根据工程经验，这就要求优化后的转向系统模态的频率大于38Hz，以免产生怠速工况下方向盘振动问题。

结合有限元仿真分析对方向盘盘体进行优化，为不改变方向盘的整体外造型，只对方向盘轮圈骨架进行优化分析，目标为使方向盘盘体一阶模态灵敏度幅值降低一半。优化后的轮圈骨架截面如图6所示。对优化后的方向盘进行转向系统模态分析确认（图7），转向系统模态为39.7Hz，满足设计要求。

图6 方向盘轮圈骨架截面优化对比

图7 转向系统模态分析

制作优化后的方向盘样件进行盘体模态测试，并将结果与原状态进行对比，对比结果如图8所示，优化后的方向盘模态频率降低4.3Hz，模态频率对应的幅值为原状态的45%，满足优化目标。

图8 方向盘优化前后模态对比

2.2 效果验证

将优化后的方向盘以工作状态安装在整车上，并进行实车加速工况方向盘振动主观评价。主观评价认为，当发动机加速到2500r/min左右时，方向盘振动明显消失，可以接受。该工况下方向盘振动主观评价打分提升至7.5分。对方向盘振动进行客观数据测试，将测试数据与原状态下方向盘振动进行对比，对比结果如图9所示。方向盘的振动幅值由9.5m/s2下降至2.7m/s2，降低幅值达6.8m/s2。

图9 优化前后方向盘振动数据对比

针对优化后的方向盘在怠速工况下的振动表现情况进行对比评价，主观评价认为，怠速工况下方向盘振动无明显变化且无问题，主观评价打分为8分。在怠速工况下进行客观数据采集并进行对比，数据显示，方向盘振动幅值由0.13m/s2变为0.11m/s2，振动幅值变动不大，满足目标要求。

3 结束语

本文以某油电混合动力MPV为样本，针对加速工况下方向盘振动大问题进行分析，通过对方向盘振动信号采集分析，得到方向盘的振动主要表现为二阶振动。通过采取“振动源-振动传递路径-振动响应体”的排查思路，得出以下方案：①调整发动机转速换挡策略以避开方向盘模态频率，可以有效避免方向盘发生共振；②降低方向盘的模态灵敏度幅值，可以有效降低其在共振时的振动幅值。方案经主观评价和客观测试对比验证有效，为同类型的振动排查提供了一定的借鉴思路。

作者：王亚运1，2， 孙福华1，2

1.长城汽车股份有限公司技术中心

2.河北省汽车技术创新中心