汽車轉向系統低頻共振研究

裴繼偉 王娟娟

摘要：汽車的各個組成部分中，轉向系統的設計是整個底盤設計的重要部分。在全車的NVH性能開發中，轉向系統的震動是重要影響因素。轉向系統包括轉向器、轉向傳動以及轉向操作結構，而轉向操作結構包括了方向盤、轉向柱和傳動軸。汽車轉向系統低頻共振主要表現就是方向盤共振，汽車在低速行駛時轉向盤出現振動，本文就某品牌轎車進行舉例說明，簡述低頻共振的問題產生的原因，通過實驗和探究提出解決方案，并且予以驗證。

關鍵詞：NVH研究;汽車轉向系統;低頻共振

引言：? 汽車用戶對于汽車的性能指標要求中，對于EPS的性能敏感度要求往往是最高的，主要是其優劣會對產品在市場環境中的競爭力直接產生影響。在具體實施整車EPS性能開發的過程中，通常都會將轉向系統振動作為一個重要的考量因素。實際上導致轉向系統低頻振動現象出現的一個主要原因就是發動機怠速激勵，而轉向系統產生的振動問題，能夠被駕駛員直接進行感知，在極大程度上使得車輛的駕駛舒適性產生影響。因此，對于汽車生產領域而言，轉向系統設計的科學合理性是極為關鍵的。

1.汽車轉向系統共振問題的分析

轉向系統低頻共振現象的產生，主要是由于車輛處于怠速狀態時，其轉向系統當中的頻率與發動機產生了怠速激勵使得頻率發生了耦合而導致的。汽車發動機處于怠速工況下產生的激勵，主要會產生往復慣性力，其頻率的產生通常與車輛搭載發動機自身的轉速及氣缸數之間存在關系。一般情況下，乘用車型的發動機怠速轉速處于700 r/min～1000 r/min之間，4缸機的激勵頻率基本上處于23Hz～33Hz之間、6 缸機激勵頻率基本上處于35Hz～50Hz之間。當汽車處于怠速工況的時候，駕駛員對于轉向盤產生的振動強度感受是最為敏感的，通常情況下汽車未經過相關的優化，那么將會使得整車的狀態出現轉化，不斷朝向系統1階模態轉化，這個時候非常容易與4缸發動機的怠速激勵頻率產生耦合，從而使得轉向盤出現低頻共振的狀況。例如，某輛車的車型空調處于關閉狀態下其怠速轉速設定為750r/min、其空調處于開啟狀態下怠速轉速設定為850 r/min，其怠速發動機2階的激勵頻率檢測結果分別為25 Hz與28Hz。該試驗樣車處于怠速工況下，其轉向盤振動試驗結果顯示，轉向盤試驗檢測方向X為0.39m/s2，試驗檢測方向為Y為0.34m/s2，試驗檢測方向Z為0.59m/s2。當此車轉向盤處于三向加速度狀態下，在28 Hz左右的時候均會產生振動的最大值，當三向加速度值X向處于0.39 m/s2時，其能量和能達到0.59 m/s2，這在主客觀評價中均不能夠被接受。為了能夠更加有效地尋求出轉向系統產生共振的主要因素，進而針對轉向系統模型展開全面的分析與計算。針對原始轉向模型當中所對應的單體及TB級模態頻率展開分析，當模態振型TB為橫向時其原始模型轉向系統為28.4Hz，垂向時其原始模型轉向系統為32.1Hz，其目標要求均大于等于38Hz;模型振型為轉向管柱單體時，其橫向原始模型轉向系統為45.5Hz，其垂向原始模型轉向系統為50.0Hz，其目標要求均大于等于50Hz。由此可見，該車輛的TB級模態與轉向管柱單體模態都不能使目標要求得到滿足。針對試驗車型低速共振方面的問題，還有后續新車型具體實施開發的過程中所遇到的轉向盤共振問題方面，在對轉向系統振動問題實際開展研究的時候，主要對CAE分析方法、試驗模態分析方法進行了充分的應用。⑴轉向系統在結構方面的優化：可通過CAE模型的方式展開分析，進而獲得轉向盤理論當中的固有頻率以及振型，進而來對系統當中的剛度特性進行了解;⑵針對轉向系統展開相應的工程改進設計，并且通過CAE進行可行性分析，然后針對改進之后的轉向系統展開相應的試驗驗證以及主觀評價工作。汽車的轉向系統通常是由多個子系統組合而成的，其整體部分的剛度主要是由轉向柱、安裝支架以及儀表板橫梁來具體確定的。由于同一種類型的轉向柱能夠在不同車型之中都適用，所以有必要針對將轉向系統在剛度與模態因素兩方面的設計之初予以完善性的考慮，最終形成其相應的設計準則，在實施轉向系統設計開發中起到知道作用。

2.汽車轉向系統低頻共振的優化

根據轉向系統模態車型和車輛怠速行駛的頻率耦合現象，針對汽車低頻共振的現象，需要對轉向系統模態進行技術上的提高，那么就需要對車型的轉向系統內部結構進行優化，主要包括一下幾個方面，首先，是優化汽車前、后的轉向柱。在轉向管柱和CCB的連接部件處，增加加強筋;其次，就是將管柱外的套筒外徑由40mm增厚至45mm;再次，就是將汽車的U型板的結構的兩側，保留并且加寬焊接到支架上;最后，就是轉向柱和CCB連接支架的整體厚度由3.2mm加厚至4mm，優化后的轉向系統在TB垂向模態下變為38.6Hz，橫向模態下為40.37Hz，相比最初的狀態有了很大的提升，并且也滿足了當初設定的目標和要求，轉向柱的單體模態也滿足了原本的設計要求，由此可見，將CAE技術應用到設計優化階段，能更好的對轉向系統NVH的性能進行控制和把握，對汽車轉型系統的低頻共振給予更好的解決方案。

在對汽車模型進行利用，開展仿真行駛過程的時候，可以通過相應的系統中所自帶的一些速度、轉向盤傳感器，來對汽車仿真過程當中具體行駛的速度以及轉向盤力矩、轉向盤轉角、轉速等方面進行檢測;然后再將汽車行駛中的全部信息以電信號形式，將其傳輸到電動助力轉向系統內部當中的電子控制單元中;最后將他們進行相應的做和，將最終的目標助力電流進行求解;在下層控制策略之中，需要將助力電機內部的助力電流、上層控制策略進行確定，并將其相關目標的助力電流實現做差，進而求出其中存在的誤差、誤差的變化率，并通過自適應F-PID復合控制器的利用下，來對電樞電流實施有效調節，最后輸出適用于汽車模型而且能夠實現對汽車準確有效控制的所需控制力矩。

3.汽車轉向系統優化后的驗證

為了證明CAE方針設計的有效性，對于優化后的額轉向系統在全車的形勢下做了以下的實驗、測試。在轉向模態測試設備進行測試時，轉向系統處在整車安裝的制約情況下，通過錘擊的方式對壯行系統進行刺激，來測試方向盤和轉向管柱各處的振動反饋。優化后全車狀態轉向系統模態測試，1階狀態垂向的擺動頻為38.9Hz，1階狀態下橫向擺動頻率是43.1Hz，指數都大于目標設定的38Hz，并且，垂向和橫向的振動頻率差大于3Hz。優化后的轉向系統振動模態，實驗的車型怠速行駛時發動機的轉速是750-850r/min，而與之相對應的2階震動頻率是25-25Hz，在優化后，轉向系統模態振動頻率相差大于10Hz，這也就可以避免了發動機怠速行駛時2階狀態引起的低頻共振問題。轉向系統怠速形勢下空調開啟狀態優化后的方向盤振動問題，其中方向盤的X想振動速度是0.39m/s2降低到0.10m/s2，能量漸弱74%;轉向柱和CCS連接的U型架Y向振動加速也由0.34m/s2降低到0.13m/s2，能量削弱62%;Z向振動加速也由0.29m/s2降低到0.10m/s2，能量減弱66%。通過這些實車的實驗證明，根據CAE設計方針和模態試驗對汽車進行優化，大大減少了汽車轉向系統低頻共振的情況，為以后的汽車優化設計奠定了基礎。

4.總結：

汽車工程師在實際開展設計的時候，大多都憑借自身的經驗來具體實施，在優化設計與分析的方法方面缺乏成熟性與可靠性。需要與相應的試驗車型相結合，來針對轉向系統的NVH特性實施開發，將轉向系統作為模擬優化的研究對象，能夠切實實現汽車怠速工況下轉向盤振動的減小。此外，通過對有限元模型來對模態進行分析、優化以及實車試驗等環節，能夠形成一套相應的設計指導準則，這對于汽車車型實現開發而言是具有較高應用價值的。

參考文獻：

[1]張海娟，李卓，張春林，張亮.汽車轉向系統低頻共振研究[J].北京汽車，2019（03）：13-16.

[2]盧培紀，王福明.車輛轉向系統振動特性的試驗分析[J].中北大學機電工程學院，2014（01）：119.

[3]邵慧.基于底盤激勵的汽車高速狀態轉向系統抖動分析及優化[D].長沙：湖南大學，2014.