某輕型卡車(chē)方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題診斷與控制

韓建友，許德江，徐向波

（北汽福田汽車(chē)股份有限公司奧鈴技術(shù)中心，山東 諸城 262200）

某輕型卡車(chē)方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題診斷與控制

韓建友，許德江，徐向波

（北汽福田汽車(chē)股份有限公司奧鈴技術(shù)中心，山東 諸城 262200）

裝備柴油機(jī)的輕型卡車(chē)容易出現(xiàn)方向盤(pán)異常抖動(dòng)問(wèn)題，從而嚴(yán)重影響駕駛舒適性。文章針對(duì)某輕型卡車(chē)，利用振動(dòng)診斷、測(cè)試與模態(tài)分析方法研究并確定了方向盤(pán)抖動(dòng)原因，即整車(chē)安裝狀態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率相近，從而引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振。為控制異常抖動(dòng)，降低方向盤(pán)振動(dòng)，文章基于虛擬設(shè)計(jì)方法，提出了改進(jìn)方案，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱與儀表板支架橫梁連接處進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過(guò)樣件試制、裝車(chē)和試驗(yàn)驗(yàn)證后表明：改進(jìn)方案有效控制了方向盤(pán)異常抖動(dòng)，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計(jì)要求。

方向盤(pán)；抖動(dòng)；診斷與控制；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)09-23-03

引言

輕型卡車(chē)一般使用柴油機(jī)作為動(dòng)力，柴油機(jī)由于其本身特性，振動(dòng)相對(duì)劇烈，其主要激勵(lì)頻率帶寬在20~160Hz[1][2]，覆蓋了部分關(guān)鍵零部件的固有頻率。方向盤(pán)是駕駛員直接接觸操作的零件，其異常抖動(dòng)也是裝備柴油機(jī)的輕型卡車(chē)類(lèi)汽車(chē)容易發(fā)生的故障問(wèn)題，嚴(yán)重影響駕駛舒適性[3]，容易造成駕駛員疲勞或身體傷害。

本文針對(duì)某輕型卡車(chē)方向盤(pán)抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行診斷與分析，并依據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行了抖動(dòng)控制。

1、方向盤(pán)抖動(dòng)試驗(yàn)診斷與分析

1.1 方向盤(pán)振動(dòng)測(cè)試

某輕型卡車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900~1000r/min時(shí)方向盤(pán)抖動(dòng)明顯，出現(xiàn)方向盤(pán)重影現(xiàn)象，該車(chē)在冷啟動(dòng)狀態(tài)或開(kāi)啟空調(diào)狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于該區(qū)間，是常用工況[4]。因此，該工況下方向盤(pán)的異常抖動(dòng)必須進(jìn)行控制。

定義方向盤(pán)中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，12點(diǎn)鐘方向?yàn)閄軸，垂直方向盤(pán)盤(pán)面方向?yàn)閆軸，Y軸符合右手坐標(biāo)系。在方向盤(pán)中心處布置三向加速度傳感器，如圖1所示。圖2為定置發(fā)動(dòng)機(jī)勻加轉(zhuǎn)速工況下方向盤(pán)X方向振動(dòng)加速度階次跟蹤圖，其它方向與X方向數(shù)據(jù)相似，不再贅述。從圖2可以看出，方向盤(pán)處振動(dòng)主要階次為發(fā)動(dòng)機(jī)二階，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900~1000r/min范圍內(nèi)振動(dòng)幅值明顯增大。對(duì)問(wèn)題轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的方向盤(pán)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速切片分析，圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速938.8r/min切片，可以看出，該轉(zhuǎn)速下方向盤(pán)處振動(dòng)峰值頻率為31.36Hz。樣車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程柴油機(jī)，在轉(zhuǎn)速938.8r/min時(shí)其主激勵(lì)頻率為31.29Hz，進(jìn)一步說(shuō)明方向盤(pán)處異常抖動(dòng)來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)。

圖1 方向盤(pán)處振動(dòng)加速度傳感器布置

圖2 定置勻加轉(zhuǎn)速工況方向盤(pán)振動(dòng)加速度階次跟蹤圖

圖3 定置勻加轉(zhuǎn)速工況方向盤(pán)振動(dòng)轉(zhuǎn)速切片圖（938.8 r/min）

圖4 定置勻加轉(zhuǎn)速工況駕駛室振動(dòng)加速度階次跟蹤圖

相同工況下駕駛室A柱位置加速度階次跟蹤圖如圖4所示，同樣以發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)為主，但其幅值隨轉(zhuǎn)速變化不大。由此可排除問(wèn)題轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)異常問(wèn)題。推斷方向盤(pán)在問(wèn)題轉(zhuǎn)速范圍存在由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)引起的共振問(wèn)題。為此，需對(duì)方向盤(pán)及轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試與分析。

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試與分析

在整車(chē)約束狀態(tài)下，采用錘擊法測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)[5][6]。在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向管柱上共布置8個(gè)三向加速度傳感器，如圖5所示。力錘的激勵(lì)點(diǎn)選擇轉(zhuǎn)向管柱中間位置，測(cè)得第一階模態(tài)頻率為31.9Hz，如圖6所示。

方向盤(pán)異常抖動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為900~1000r/min，該范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)的帶寬為30~33.3Hz，覆蓋并接近轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率，由此可確定方向盤(pán)異常抖動(dòng)原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試傳感器布置

2、方向盤(pán)異常抖動(dòng)的控制方案

改善方向盤(pán)的異常抖動(dòng)，應(yīng)該改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率，避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速的激勵(lì)頻率。針對(duì)本文樣車(chē)情況，不宜降低其固有頻率，因?yàn)橛锌赡芤鸬∷俣秳?dòng)問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)，提高其一階固有頻率。

圖7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及儀表板支架總成有限元模型

為提高研發(fā)效率，擬基于虛擬模型進(jìn)行改進(jìn)研究，首先建立了包括儀表板支架總成在內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型[7][8]，如圖7所示。相對(duì)于原結(jié)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱與儀表板支架橫梁連接處進(jìn)行了強(qiáng)化，加裝了厚度為3mm的加強(qiáng)板，并進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)頻率提高到40.6Hz，如圖8所示。

根據(jù)有限元改進(jìn)和計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)并實(shí)施了加強(qiáng)方案，如圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及儀表板支架總成有限元模態(tài)計(jì)算(40.6Hz)

圖9 轉(zhuǎn)向管柱連接支架強(qiáng)化

3、試驗(yàn)驗(yàn)證

首先進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試，傳感器布置和測(cè)試方法與前文相同，測(cè)試結(jié)果如圖10和表1所示。加強(qiáng)后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)達(dá)到41.8Hz，與有限元計(jì)算結(jié)果比較接近，已經(jīng)超出問(wèn)題轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)的帶寬范圍。

圖10 加強(qiáng)后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一階模態(tài)(41.8Hz)

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率對(duì)比

圖11 改進(jìn)前后方向盤(pán)處振動(dòng)加速度幅值對(duì)比

對(duì)加強(qiáng)方案進(jìn)行了整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)工況為定置發(fā)動(dòng)機(jī)勻加轉(zhuǎn)速，傳感器布置位置不變，采集并對(duì)比分析了方向盤(pán)處振動(dòng)加速度的幅值，如圖11所示。可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900~1000r/min范圍內(nèi)，改進(jìn)后方向盤(pán)處的振動(dòng)幅值有明顯的下降，主觀感覺(jué)抖動(dòng)明顯減弱，重影現(xiàn)象消失，改進(jìn)效果良好。

4、結(jié)論

針對(duì)某輕型卡車(chē)方向盤(pán)異常抖動(dòng)問(wèn)題，本文首先利用測(cè)試手段對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)加速度進(jìn)行了轉(zhuǎn)速跟蹤，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)測(cè)試，診斷并確認(rèn)了方向盤(pán)抖動(dòng)原因——發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振。建立了包含儀表板支架總成在內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型，進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)與模態(tài)計(jì)算，用以指導(dǎo)改進(jìn)研發(fā)與試制。最終確定改進(jìn)方案，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱與儀表板支架橫梁連接處進(jìn)行了強(qiáng)化，模態(tài)試驗(yàn)表明，強(qiáng)化方案有效提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)。對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明方向盤(pán)異常抖動(dòng)明顯改善。本文的研究方法和成果能夠?yàn)榉较虮P(pán)及轉(zhuǎn)向管柱總成減振隔振提供工程參考。

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[4] BIANCHINI E．Active vibration control of automotive steering wheels［C］//SAE Paper，2005 －01－2546．Michigan: The Engineering Meeting Board，2005:200－210.

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Steering wheel's shaking Diagnosis and control of a light truck

Han Jianyou, Xu Dejiang, Xu Xiangbo
( Ollin R＆D center, Foton, Shandong Zhucheng 262200 )

Light trucks equipped with diesel engines are steering wheel’s shaking-prone, which seriously deteriorate driving comfort.Vibration tests, diagnosis and modal analysis method were used to research and recognize the cause of steering wheel’s shaking of light truck, it was found that the steering wheel’s operating modal frequency is close to the engine’s second order excitation frequency,so the resonance of the steering wheel appears.In order to control the steering wheel’s abnormal shaking and reduce vibration, an improvement plan is proposed based on the virtual design method. A structural optimization design - connection firming between the steering column and the support beam of instrument panel-were presented. The effectiveness and rationality of the improvements were verified through sample preparation, assembly and tests．

Steering wheel; Shaking; Diagnosis and control; Structural optimization

U472.4

A

1671-7988 (2017)09-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.09.009

韓建友，就職于北汽福田汽車(chē)股份有限公司奧鈴技術(shù)中心。