重卡方向盤抖動故障診斷及優化

王 磊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心重卡研究院，安徽 合肥 230601）

引言

伴隨國民經濟飛速發展，人們物質生活水平也越來越高，居民消費能力也在不斷提升，中國汽車工業近年來也有了長足的進步。國內汽車銷量多年穩居世界第一，國產汽車水平日新月異，總體來說乘用車國產車已具備中低級轎車正向開發能力，商用車處于參考借鑒基礎上優化階段。商用車產品開發雖然有部分技術應用了正向開發技術，但由于商用車特別是重型卡車，其作為主要生產工具，覆蓋地域極廣，應用道路復雜，運輸貨物雜亂，駕駛員水平差異大，導致重卡需求技術含量高，全面正向開發難度大，而且重卡整體投入特別大，投資回報周期長，因此全面正向開發重卡既不現實也沒有必要。

重型卡車已誕生數十年，其作為道路大型中長途貨物運輸的主要工具以及部分特種運輸車輛改裝平臺，多年以來其基本特性并沒有發生重大變化。不斷變化的主要是發動機馬力的不斷提升，發動機排放水平，整車造型，大量輕量化技術，極為豐富的電控機械化配置所導致的整車部件布置空間變化，部分激勵源變化，整車保養及可靠性的大幅提升等變化。總而言之，與重卡所保留的要素相比，其變化的部分仍然是少之又少。

重卡產品開發必須要盡量多在工程應用方面應用成熟的新技術，為整體產品拓展做鋪墊。高技術含量的產品在利潤方面有優勢，但往往主銷的產品與其還有一定差別，作為一個公司的注銷產品與利潤主要來源，其產品的性價比及其重要，因此該產品的開發方式與技術密集型高端產品開發方式存在一定差異。對于技術中等變動過產品，需要在平臺基本型產品基礎上簡化正向開發流程做開發；對于小變型產品可以快速完成mule 車及產品，通過試驗法來快速發現問題，優化產品，進而快速推出產品。以此可將產品開發周期縮短數月時間，對于適應市場的產品及時上市將帶來先發優勢。

本文主要論述一款4×2 重型載貨車小變型產品mule 車存在的方向盤抖動問題，車輛如何進行故障診斷及優化。主要內容如下。

1 車輛故障信息收集

初步了解試驗人員經歷及方向盤抖動現象描述。該人員只反饋怠速方向盤抖動明顯，駕駛室是否抖動無法判斷。

2 收集車輛信息

（1）車輛主要信息：驅動形式、發動機、變速箱、前橋、后橋、懸架型式、駕駛室。

（2）基本型車輛狀態及新產品變更

1）了解基本型車型存在哪些類似抖動問題。經確認基本型車型隨機駕駛員未反饋有方向盤抖動問題。

2）新產品在基本型車型基礎上更換發動機、離合器、變速箱、傳動軸、駕駛室。其中發動機由四缸機換成了六缸機，變速箱由8 擋箱換成了10 擋箱，發動機懸置支架調整滿足物理搭載，駕駛室為內外飾換型產品。

潛在原因分析：反饋方向盤抖動可以明確方向盤抖動使該駕駛員不可接受，但駕駛室抖動程度無法定義，即無法確定是駕駛室、方向盤均抖動劇烈還是只有方向盤劇烈抖動；另外無法確認是該駕駛員敏感還是確實有嚴重問題。發動機變動較大，激勵源較大變更，出問題可能性大；發動機變速箱增大，發動機懸置軟墊沒有變化，此原因也會導致系統共振；駕駛室由于內外飾換型且缺少慣性參數，因此駕駛室懸置影響無法確定。

3 實車專業駕駛員主觀評價

請原駕駛員與專業主觀評價人員同時試車，共同確認問題點。

（1）故障重現

車輛調整到問題最嚴重狀態，經專主觀人員確認，確實方向盤抖動明顯大于駕駛室、儀表臺抖動；駕駛室整體抖動可接收。

（2）車輛啟動、熄火工況

車輛啟動、熄火觀察駕駛室及方向盤抖動情況。啟動熄火，方向盤及駕駛室存在抖動峰值，但程度比怠速輕，時間短。

（3）原地升速工況

原地空擋半油門、全油門、輕油門工況，觀察駕駛室及方向盤抖動情況。半油門、全油門由于發動機轉速上升快，駕駛室存在輕微左右搖擺現象，該現象屬于正常現象；輕踩油門，發動機轉速由750rpm 上升到850rpm 以上，方向盤抖動明顯降低。

原因分析：由以上三種工況可知，方向盤抖動主要原因是六缸發動機三階激勵與轉向系統共振所致，其次方向盤抖動程度需NVH 設備進一步驗證，具體車輛轉向共振特性量化指標，需進一步試驗。

4 車輛NVH 試驗

4.1 激勵源計算

怠速抖動激勵源為發動機。六缸四沖程發動機主要激勵源是發動機上下及側傾激勵，其中側傾激勵為主，發動機熱機怠速為750rpm，激勵源頻率為熱機37.5Hz，計算公式如下：

其中f 為激勵源頻率，n 為發動機轉速，N 為發動機氣缸數。

4.2 車輛發動機懸置系統隔振率測試

表1

由以上試驗數據可知，發動機懸置隔振性能略差，建議優化。

4.3 車輛方向盤、駕駛室及懸置系統測試

圖1

表2

由以上試驗數據可知，方向盤振動RMS 為0.54g，駕駛室懸置隔振性能及駕駛振動加速度可接受，非引起方向盤抖動主因。

4.4 試驗測量轉向系統動剛度

圖2

由以上圖示可知，轉向系統存在37.8Hz 固有頻率，該頻率與發動機怠速3 階激勵頻率37.5Hz 接近，引起方向盤劇烈振動。

5 整改方案

5.1 發動機懸置系統

由于缺少發動機、變速箱慣性參數，無法進行6 自由度模態分析，因此進行簡化計算懸置系統垂向跳動頻率為12.4Hz，具體計算公式如下：

其中Fz 為動力總成懸置系統垂向跳動頻率，m 為動力總成重量；K 為四點懸置絕對坐標系垂向動剛度之和；

由主觀評價可知動力總成懸置系統未產生明顯共振現象，但理論計算系統垂向固有頻率偏大，需將懸置軟墊動剛度降低50%，懸置軟墊動靜比由1.7 降低至1.4，確保懸置系統足夠靜剛度及軟墊合理蠕變量。

5.2 發動機怠速轉速

發動機原型機開發怠速為750rpm，發動機進一步降低發動機轉速，影響發動機原始排放，變動大周期長，該方案實施難度大。

5.3 轉向系統動剛度

轉向系統存在37.8Hz 固有頻率，距離發動機三階激勵頻率37.5Hz 間隔0.5Hz，產生共振，抖動劇烈，用戶無法接受。

圖3

轉向通過增加轉向管柱支架連接剛度，提升轉向系統固有頻率至41.5Hz，大于激勵頻率3Hz，具體支架動剛度如上。

5.4 整改方案綜合決策

（1）發動機懸置系統無需開模，整改成本低，方案可實施；

（2）發動機怠速轉速調整成本高周期長，暫不實施；

（3）轉向系統動剛度通過改進轉向管柱支架Y 向剛度，提升系統固有頻率，方案可實施。

5.5 整改驗證

（1）發動機懸置系統隔振率優化

表3

由上表可知：發動機懸置系統隔振率明顯優化，平均隔振率由59.6%提升至71.0%；該方案發動機懸置后(車架端)振動降低幅值明顯，處于較好水平。

（2）方向盤及駕駛室振動

圖4

經過驗證方向盤振動幅值由0.54 下降至0.06，滿足用戶使用要求。

6 結論

（1）本文結合實際案例明確了怠速抖動的問題排查流程及關鍵工作內容。

（2）文中展示了主觀評價方法及流程，通過專業人員的主觀評價，主要振動問題基本可以得到初步確定，至少故障診斷范圍大幅縮小，為NVH 試驗硬件設施要求，試驗方案提供指引。

（3）文中列舉了車輛典型測試系統及測量點振動試驗，并通過動剛度試驗，佐證了NVH 試驗中固有頻率的猜測。

（4）文中提供了多種切實可行的整改方案，通過項目運行綜合決策，對最有價值方案進行實施驗證。

通過以上分析，文中主要提供了重卡方向盤故障診斷的方法及優化方案，其次介紹了基于整車試驗方法及綜合決策的開發流程及方法，大大提升重卡的開發效率。