文档介绍：2009 年 LMS 中国用户大会论文集
乘用车转向系统怠速振动问题解决方法探讨之模态分离
杨二卫,刘峰,赵春
(奇瑞汽车股份有限公司,试验技术中心,安徽芜湖 241009)
摘要:本篇从整车 NVH 试验开发的角度出发,结合某车型试验开发过程中转向系统怠速振动
问题解决的工程实例介绍了引起怠速抖动问题的原因及其解决方法,并重点介绍了如何通过
对方向盘、转向柱、仪表台横梁等部件及其之间连接刚度的调整实现转向系统一阶模态频率
与发动机点火激励频率的模态分离来降低转向系统振动水平。通过试验调教,不仅解决了问
题,而且能够给汽车设计工程师和 NVH 开发工程师以后的工作提供一定参考。
关键词:NVH 乘用车转向系统怠速振动模态分离
0 引言
转向系统怠速振动特性作为乘用车整车 NVH 性能主观评价的 14 项指标之一,其振动水
平可以通过手指直接的触摸来评价,且近年来越来越受到消费者的关注,因此也成为新产品
开发中的一个重要研究课题。
当前控制的技术已经比较成熟,而且
还在不断发展,日本丰田公司做的尤为突出。而我
则普遍的不容乐观。本篇从整车 NVH 试验开发的角度出发,结合某车型开发的工程实例,介
绍的引起转向系统怠速振动问题的原因及其解决方法,以期能够帮助汽车设计工程师、NVH
开发工程师优化结构设计。
1 转向系统振动及其模态
振动源
怠速工况下,转向系统所受到的激励源主要是曲轴旋转产生的二阶往复惯性力,其频率
与车辆搭载的发动机的转速和汽缸数有关。以一般乘用车搭载的四缸汽油机为例,通常情况
下,其由冷机到热机、有/无负载转速范围为 700rpm-1000rpm,则激励的频率范围约为
20Hz~35Hz。除此之外,发动机怠速运转工况下其它附件运转也会成为振动源,例如:冷却
风扇、空调鼓风机等。
转向系统的振动模态
我们重点关注的转向系统模态包括:一阶垂向模态、一阶侧向模态和方向盘模态。其中,
一阶垂向模态最为重要,其典型的共振频率为 20Hz~35Hz 之间。这时转向柱中心线像悬臂
梁在垂直平面内弯曲,在转向柱的安装点会发生角度偏转,同时方向盘绕着一个与转向柱垂
直的轴旋转,见图 1;第一阶侧向模态有时候也会引起问题,它的频率范围和运动形式与一
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阶垂向模态类似,不过方向为侧向;方向盘模态频率较高,一般为 50Hz 左右。
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图 1 典型的转向系统垂向模态(侧视图)
2 影响转向系统振动水平的因素
动力总成输入到车身侧的激励力的控制
四缸汽油机怠速运转工况下,曲轴旋转产生的二阶往复惯性力激励是引起转向系统振动
的直接原因。对二阶往复惯性力输入至车身侧的激励力幅值的控制可以从以下两方面入手:
一是加装转速为曲轴转速 2 倍的平衡轴来降低二阶往复惯性力的幅值;二是合理的设计和布
置悬置系统,实现动力总成系统六自由度刚体模态的分离和悬置软垫在 X、Y、Z 三个方向上
的振动衰减率不低于 20dB,尽量降低动力总成前、后悬置的预载荷。
此外,对于冷却风扇、空调鼓风机等潜在的可能影响转向系统怠速振动水平的激励源,
可以通过优化其叶片形状、数量和安装点橡胶衬套衰减振动等措施来减小其运转时产生的激
励力。
转向系统共振
乘用车转向系统设计要求其一阶模态一般在 50Hz 左右,但当转向柱与仪表台横梁总成
装配后,由于边界条件的改变以及安装支架的影响,其安装状态下的一阶模态频率会有所下
降。为避免转向系统在怠速工况下发生共振,我们要求转向系统安装状态下的一阶模态频率
不得低于 35Hz,考虑到部件刚度提高的有限性,通常将其目标值设为 35Hz~40Hz,从而实
现转向系统与激励频率的模态分离。
3 影响转向系统安装状态下一阶模态频率的因素及其处理
安装状态下,对转向系统模态频率的影响因素除了转向系统部件(包括方向盘、转向柱、
转向柱管、转向柱安装支架等)设计外,还有转向柱安装支架与车身的连接,下面逐一进行
介绍:
乘用车转向系统结构图
典型的乘用车转向系统由方向盘、安全气囊、转向轴、轴承、转向柱管、安装支架等组
成,结构如图 2 所示:
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