趙紅飛 丁曉明 呂俊成

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

近年來方向盤的振動問題一直是國內(nèi)外學者研究的熱門話題。文獻[1]通過研究輪胎的非均勻性、輪胎氣壓以及路面-輪胎的激勵力，找到了方向盤振動的主要影響因素；文獻[2-3]分析了制動扭矩波動和底盤振動傳速靈敏度對方向盤振動的影響，并進行了視頻和時域的驗證，為分析方向盤振動提供了很好的方法。文章針對某微型車在路試階段出現(xiàn)的方向盤抖動嚴重的問題，采用試驗分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、模態(tài)測試并結(jié)合專家動態(tài)感知評審的方法，對該問題進行評價并提出問題解決途徑。

1 問題背景與相關測試

1.1 問題背景

某微型車在各造車試驗階段中均出現(xiàn)時速在80 km/h以上時，方向盤抖動較嚴重的現(xiàn)象，不僅影響汽車的安全駕駛，同時也會引起客戶的抱怨。而至今沒有一個評價方向盤振動的具體標準，只是通過人為的主觀評價來判斷。這就導致了問題在處理過程中無標準可依，在以后發(fā)生類似問題時也無法判斷其可靠性。圖1示出汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。

1.2 相關測試

文章通過使用LMS Test.Lab系統(tǒng)對抖動汽車進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其子系統(tǒng)零件的動靜態(tài)測試，得到一系列數(shù)據(jù)反饋。由數(shù)據(jù)顯示可以看出，該車型的方向盤在抖動過程中最大的振動加速度達到0.95 g，由于振動加速度過大，造成人手在握方向盤時會有振手感覺。圖2示出該車型在車速為110 km/h時方向盤的Y向振動加速度曲線圖。

經(jīng)過采取各種補救措施，組織相關專家進行動態(tài)感知評審，并進行多次相關測試得出：方向盤Y向振動加速度為0.17 g時為客戶可接受狀態(tài)；方向盤Y向振動加速度為0.21 g時，方向盤抖動情況較嚴重，客戶不能接受。

1.3 改進目標

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析研究及專家的動態(tài)感知評審，確定該問題的解決目標：

1）主觀評價車速在≤130 km/h時，方向盤再無抖動現(xiàn)象；

2）方向盤Y向振動加速度標準值的確定。

改進目標的確定分3步進行：

1）采取一系列短期措施，將所有抖動汽車分為“抖動可接受”與“抖動不可接受”2種狀態(tài)。

2）對這些汽車進行測試，選取該車型2種狀態(tài)下方向盤振動加速度最為接近的2個值，其中，可接受狀態(tài)的方向盤Y向振動加速度為0.17 g，不可接受狀態(tài)的方向盤Y向振動加速度為0.21 g。

3）通過比較分析，考慮其他不可控因素的影響，確定當車速≤130 km/h時，方向盤抖動可接受狀態(tài)為振動加速度＜0.15 g。

圖3示出方向盤Y向振動加速度曲線圖。

2 原因分析與確認

2.1 原因分析

經(jīng)過測試以及專家的動態(tài)感知評審，得到車速在110 km/h附近時的方向盤抖動最為嚴重，根據(jù)計算，此時輪胎的轉(zhuǎn)動頻率約為17 Hz（其中含有車速表精確度的影響）。圖4和圖5分別示出方向盤與轉(zhuǎn)向節(jié)的Y向頻譜。根據(jù)圖4和圖5顯示，在17 Hz附近，方向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)（轉(zhuǎn)向節(jié)為輪胎測試點）均達到最大振動加速度值，因此，可確定輪胎為方向盤振動的主要激勵源。

將激勵源輪胎在動平衡機上進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)抖動汽車均存在輪胎動平衡質(zhì)量不合格，導致輪胎在實際轉(zhuǎn)動中出現(xiàn)振動或擺動。

對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿及轉(zhuǎn)向節(jié)）進行動態(tài)測試，得到傳遞函數(shù)結(jié)果，如圖6所示。從圖6可以看出：轉(zhuǎn)向器測試點在17.5 Hz時，與輪胎激勵形成共振，從而將振動放大；轉(zhuǎn)向中間軸下端（轉(zhuǎn)向器上端）測試點在17.5 Hz時，振動也有放大，但相比轉(zhuǎn)向器測試點放大幅度較小。

對方向盤進行模態(tài)測試，得到方向盤的1階模態(tài)為27.75 Hz，這與振動頻率不一致，因此不會存在共振問題。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行模態(tài)測試，得到結(jié)果如圖7所示，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1階模態(tài)為17.97 Hz，與方向盤實際抖動關鍵頻率吻合，又與輪胎激勵頻率相近。

2.2 原因確認

由以上分析可知，該車型方向盤抖動的主要原因是轉(zhuǎn)向器模態(tài)與輪胎高速轉(zhuǎn)動頻率發(fā)生耦合。具體分解到各個零件為：

1）輪胎作為激勵源，動平衡質(zhì)量不合格，從而引起較大幅度的振動和擺動，是主要原因；

2）轉(zhuǎn)向器將輪胎激勵放大，是主要原因；

3）轉(zhuǎn)向中間軸振動有所放大，但相比轉(zhuǎn)向器放大幅度較小，是次要原因；

4）方向盤1階模態(tài)為27.75 Hz，與振動頻率無關，是次要原因；

5）轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向拉桿振動頻率與激勵無共振，是次要原因。

3 關鍵改進措施與效果對比

3.1 關鍵改進措施

在嚴格控制其他因素的前提下，針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關鍵傳遞路徑（轉(zhuǎn)向器）進行剛度提升。轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

轉(zhuǎn)向器的改進措施為：

1）導套長度由10 mm增加到16 mm，從而提高轉(zhuǎn)向器子系統(tǒng)的剛度。

2）齒輪齒條間隙調(diào)節(jié)：控制齒輪齒條間隙在0.08mm以下。轉(zhuǎn)向齒輪的回轉(zhuǎn)力矩在0.49～1.57N·m（空載狀態(tài)），力矩波動控制在0.49N·m以內(nèi)，全行程中齒條最大啟動力不超過218N（空載狀態(tài)）。從而改進轉(zhuǎn)向器齒輪齒條的嚙合狀態(tài)，提高嚙合精度以及提高轉(zhuǎn)向器剛度。

3.2 效果對比

將更改后零件進行裝車后，主觀評價認為汽車方向盤抖動情況改善明顯，抖動情況可以接受。另經(jīng)測試，方向盤的振動加速度已經(jīng)降至0.12 g（＜0.15 g），完全滿足改進目標，如圖9所示。

4 結(jié)論

與多數(shù)方向盤抖動嚴重問題的解決方案（從輪胎動平衡（激勵）以及方向盤模態(tài)（響應）方面）不同，文章通過對該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動測試與數(shù)據(jù)分析，確定問題產(chǎn)生的主要原因為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳遞路徑放大了路面激勵。通過有針對性地更改傳遞路徑的有關參數(shù)，使方向盤抖動情況明顯改善，完全滿足改進目標，從而為以后此類問題的分析研究提供了可靠的依據(jù)和系統(tǒng)方法。