基于氣流激勵的方向盤抖動研究

湯 毓，彭 作

（1.三一汽車制造有限公司,長沙 410000；2.廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司產品工程技術中心，長沙 410000）

0 引言

汽車方向盤是客戶駕駛時最能明顯能感知的振動響應點，最能直接影響整車的NVH表現，同時也直接影響著駕駛舒適性和安全性，極其容易引起乘客抱怨，因此此類問題亟待解決，否則會引起大量的市場抱怨。近年來國內外對方向盤抖動的分析論文越來越多，在解決此類問題不管是在仿真還是試驗方向都已經很成熟。國外KIM K W等人[1]對車輪不平衡力引起的方向盤抖動進行了研究，找到了輪胎的非均勻性以及路面激勵是引起方向盤抖動的主要影響因素；國內文獻中，徐守富等人[2]對路面輪胎不平衡激勵引起的方向盤抖動問題研究是一個重要方向，另外還有吳旭婷等人[3]通過TPA分析方法找出發動機激勵是引起方向盤抖動問題的原因，并最終通過優化發動機懸置剛度來解決此方向盤抖動問題。也有胡朝輝等人[4]通過試驗和仿真相結合的混合分析方法對方向盤抖動問題進行研究，并最終通過優化路徑鈑金來解決方向盤抖動問題。類似的論文有很多，主要分為兩類：路面輪胎不平衡激勵和發動機激勵導致的方向盤抖動問題。其實，上述兩類方向盤抖動問題在車型開發工作中頻頻出現，大部分NVH工程師都遇見過。

然而，本文將要介紹一種全新的由于風力氣流激勵導致的方向盤抖動問題，文庫中暫未檢索到該類研究文獻。本文的解析思路和問題現象可供同行參考，具有較大的推廣和借鑒意義。

本文針對某公司SUV車型在樣車試制階段出現在高速工況下（勻速80km/h），方向盤明顯抖動問題（駕駛員達到了不好掌握方向的感覺），基于該問題的嚴重性，我們對此進行了深入研究。建立了一種更加全面的方向盤抖動傳遞路徑分析模型，采用逐級式的排查機制，通過道路頻譜和ODS測試以及白車身模態測試結果相結合的方法，找出了進氣格柵位置的風力氣流是引起方向盤抖動的激勵源，通過車身和副車架傳遞至方向盤管柱，從而與方向盤振動頻率耦合。在此分析基礎上，優化進氣格柵的導流板尺寸結構，改變氣流方向，在不增加任何成本的前提下，高效徹底的解決了該方向盤抖動問題。

1 方向盤抖動傳遞路徑模型建立與響應點測試

1.1 方向盤抖動傳遞路徑分析模型建立

汽車方向盤抖動引起的路徑較多且復雜，為了更好的對路徑進行問題解析，梳理了一種全面的方向盤抖動分析模型，主要包含車輪不平衡力引起的激勵、發動機和傳動軸引起的不平衡激勵以及路面不平順激勵，都會直接或者間接的傳遞到車身和副車架，從而引起方向盤的抖動。本文新增了一種風力氣流激勵引起的路徑，方向盤抖動問題模型如圖1所示。

圖1 方向盤抖動傳遞路徑分析模型

1.2 響應點主客觀測試

1.2.1 方向盤抖動主觀評價

根據上述傳遞路徑分析模型，為了客觀測試方向盤的激勵源和傳遞路徑，首先要測試方向盤響應點的具體頻譜特征，我們選擇在平整的瀝青路面對問題車輛進行方向盤響應點進行振動測試。同時在測試之前我們通過主觀評價確認問題的大致現象，如表1所示。

表1 方向盤抖動問題主觀評價表

從表1可以明顯看出D檔勻速工況（60km/h）行駛未感覺方向盤抖動，當車速達到60km/h可感覺到輕微方向盤抖動，80km/h及以上車速可明顯感受到方向盤抖動。當采用N檔勻速（發動機熄火后）80km/h，方向盤抖動現象依舊存在，從上述N檔發動機熄火工況可以排除激勵源來自發動機激勵的可能性。通過以上工況的分析，將重點調查路面輪胎和風力氣流激勵引起方向盤抖動的可能性。

1.2.2 響應點客觀測試

通過在方向盤12點鐘方向布置加速度傳感器，測試工況為60～80km/h緩油門加速，測試所得方向盤加速度振動頻譜圖和色彩圖如圖2所示，可以發現問題激勵頻率為37Hz激勵，且只有當速度達到80km/h以上才會出現共振。

圖2 緩油門加速工況下方向盤振動測試結果

2 方向盤抖動激勵源分析

為了更加客觀的測試方向盤抖動的傳遞路徑，采用逐級排查的機制進行激勵源確認，前文通過空擋滑行工況確定了發動機激勵不是抖動的激勵源，接下來進一步對路面車輪動不平衡引起的激勵進行確認分析。通過在橫向轉向拉桿，轉向機殼體管柱以及前輪羊角布置，方向盤十二點鐘方向布置三向加速度傳感器，具體安裝位置如圖3所示。

圖3 轉向管柱和左前輪羊角和轉向拉桿傳感器布置圖

從圖4可以看出，羊角、轉向管柱、橫向拉桿在37Hz并未見明顯振動峰值，根據方向盤抖動傳遞路徑的模型可以排除路面車輪不平衡激勵導致的方向盤抖動。最后，著重研究風力氣流對車輛的激勵，為了快速有效的驗證是否是風力激勵引起的方向盤抖動，下文選擇快速的將正前方所有氣流能通過的位置全部短暫臨時膠帶密封，分別為：進氣格柵、下方導流板進氣口、中間牌照位置進氣口，通過膠帶完全密封，阻斷風力氣流的激勵源。通過采用類似風噪和氣密性貢獻量分析的開窗法，逐一撕掉膠帶進行主觀評價，最終發現下方導流板進氣口位置為風力氣流激勵的主要輸入點，詳細步驟不在此贅述。

圖4 轉向管柱和左前輪羊角和轉向拉桿振動與方向盤對比

圖5為只粘貼下方導流板進氣口位置的測試結果，可以明顯看出37Hz基本消失，同時主觀感受抖動基本消除，通過這一驗證試驗，基本可以鎖定車輛前部風力氣流為本文方向盤抖動的激勵源。

圖5 粘貼導流板前后方向盤振動colormap對比

3 方向盤抖動路徑分析

3.1 白車身模態測試

雖然已經明確了氣流通過下方導流板進入車內為主要的激勵源，但是車輛前部可能與風力氣流耦合的零件非常太多了，逐一排查非常困難，因此需要使用更科學，精準有效的白車身模態方法來進行trouble shooting。由于隨著NVH技術逐步的發展，試驗白車身模態已經成為結構動態分析問題的主要技術手段之一，可以得到不同結構形式白車身的模態動態響應參數，從而可以對車身結構共振問題進行精確解析，找出問題的根本原因。下文將對該車型的白車身進行模態試驗分析，從而查找是否存在有37Hz的前部車身局部模態，試驗結束后分析30Hz～60Hz內的數據，發現確實存在42Hz左右的前端模塊橫擺局部模態，詳見表2中第二行所示。在整車TB裝配之后頻率會降低，極有可能與方向盤37Hz振動峰值耦合。另外，白車身模態試驗的前端模塊局部模態振型詳如圖6(a)所示。

表2 白車身30Hz～60Hz頻段內模態固有頻率的實測值

3.2 整車ODS測試

由于白車身模態只是初步懷疑到前端模塊，并不能完全確定問題就是前端模塊，因為裝配后的TB車身會隨質量和安裝結構而發生變化，針對此問題，可以使用ODS工作變形分析（Operation Deflection Shape）來快速診斷前端模塊上是否有相應頻率的實際工作變形。

在進行測試分析之前，簡單介紹一下ODS測試的理論原理：首先，車輛裝車之后ODS測試不同于模態分析，它的變形形態是所有模態的線性綜合疊加，ODS的變形也叫做模態振型，但是它與模態振型其實是有很大區別的，模態的振型分析是物理空間上的，通過解耦方程和模態變換到模態空間，在模態空間中變成了許多組解耦的單自由度系統。但是ODS是不需要解耦的，是物體真實的振動變形，通常是結構出于某種工作狀態下，實際測試得到的響應，也有可能包含了強迫振動，也可以說是工作載荷和環境載荷的激勵起所有模態在所測量的局部位置的響應疊加。響應疊加如下公式所示[5-8]：

也可以簡單記為：

式中，φ為模態向量，Q為各階次模態坐標，n為模態階數。即系統各階測點的響應是記起來的模態向量（模態振型與模態坐標Q（加權系數，各階模態響應的貢獻量）的乘積。因此ODS不需要測量FRF，僅測量系統運行工況下的結構響應輸出即可，從而確定特定工況下，對應特定頻率各測量自由度的運動形態，相比模態測試簡單很多。所以，試驗模態分析和ODS測試方法主要區別是傳遞函數的獲取區別：在進行模態分析時，首先要獲取激勵力和響應信號，從而通過下面的輸入與輸出信號獲得傳遞函數。

即：

式中，H(jω)為頻響函數，或稱為傳遞函數；X(jω)為激勵信號，F(jω)為響應信號。在工程上，動載荷常常是未知的，或者獲取之后是不準確的。ODS方法以振動系統中的某一個響應來代替激勵信號F(jω)。因此ODS測試的時候傳遞函數值即為系統里面某個響應與參考點響應之比[9-12]：

式中，Tij(jω)為相對ODS值，xi為絕對ODS值，直接測試得到某個響應點數值，xj為參考點的ODS值。

以上理論分析可以得出試驗模態和ODS方法的適應范圍如下[6]：1）試驗模態得出的信息是物體固有屬性，無法反應系統具體位移變化情況，不適用于激勵大小或者方向未知的復雜情況。ODS方法卻未受此限制。2）模態分析只適用于線性或者靜態的物體振動；ODS可應用于復雜非線性的振動情況。3）模態分析是需要在實驗室內進行試驗分析，對物體進行激勵，需要測量輸入和輸出來獲取傳遞函數。然而ODS只需要測量實際運行工況下的響應信號即可，從而計算出實際問題發生工況下實車的振動頻率特性，包含了裝配后的相鄰部件的運動形態。因此，ODS方法更加適合于工程技術人員快速診斷問題點[13-15]。

通過對經典模態分析和ODS方法的對比分析，不難得出，本文中高速工況下的方向盤抖動問題更適合選擇ODS分析方法，于是，對樣車的前端模塊進行了ODS分析，在前端模塊上布置14個三向加速度振動傳感器，通過LMS test lab的ODS分析模塊，將測量點和模型數據進行關聯后，發現測試結果中在前端模塊上確實存在37Hz的橫擺工作模態，剛好與方向盤抖動的振動頻率相對應，因此，通過本次的快速ODS高速工況測試，可以最終判定方向盤抖動的激勵源來自前端模塊的局部模態。ODS測點和振型結果如圖6(b)所示。

4 方向盤抖動改善方案制定與驗證

4.1 改善方案制定

通過以上的白車身模態和ODS測試結果，可以完全確定方向盤抖動的激勵源是風力氣流通過下方導流板激起了前端模塊的振動，振動通過副車架和車身傳遞到轉向管柱，從而與方向盤耦合。詳細查找車輛前方導流板的三維數模，發現該車型導流板風道設計為U型風流，如圖7(a)、圖7(b)所示。氣流（紅色箭頭線條）進入導流板后激起導風板不斷拍打前端模塊，從而引起前端模塊劇烈振動。

圖7 方向盤抖動氣流傳遞路徑

圖8 導流板三種改善方案

通過以上諸多工作鎖定了風是方向盤抖動主要的激勵源，為了徹底解決這一問題，必須對導風板進行重新設計，從而改變氣流的走向，減少氣流對前端模塊的激勵。針對這一問題，我們制定了三種改善方案，方案一：導風板中部延伸一段；方案二：中間間隔切斷，做成鋸齒形；方案三：導風板直接剪去18mm。

4.2 試驗驗證

將優化后的三種導流板方案進行裝車實車開展主觀評價，評價人員一致認為方案三（導流板前部剪去18mm方案）效果最好，無明顯抖動，在此不再詳細討論具體評價過程和分數。最后，選取主觀效果最好的方案三進行裝車客觀測試，從圖9結果上明顯看出37Hz處Z向振動加速度值從原來的0.15g降為0.05g，振動幅值降低了66.6%左右，主觀上也幾乎感受不到抖動，改善效果明顯。

圖9 方向盤抖動改善前后對比

5 結語

本文對某車型高速工況下方向盤抖動問題進行了深入研究分析，采用了頻譜分析，模態和ODS試驗分析，找到了前格柵位置的風力氣流為方向盤抖動的激勵源，通過車身和副車架傳遞到方向盤管柱，從而與方向盤振動頻率耦合。在此分析基礎上，優化了進氣格柵的導流板，改變氣流方向，在不增加任何成本的前提下徹底的解決了該方向盤抖動問題。

1）本文提出了一種更加全面的方向盤抖動傳遞路徑分析模型，根據模型建立逐級式的排查機制，思路清晰明了。以本文案例為參考，分析了一種基于風力氣流導致的方向盤抖動問題。

2）首先通過空檔滑行的方式排除了發動機激勵的可能性，然后通過一系列的轉向和底盤系統試驗測試，排除了輪胎路面不平衡的可能性，最終通過模態和ODS試驗分析明確了風力氣流引起的前端模塊為激勵源。發現問題后，提出了優化車輛前格柵下方的導流板結構（導流板前部剪去18mm方案），來改變氣流的方向，從而避免了風力氣流導致的前端模塊耦合共振的情況，再不增加任何成本的前提下，改善效果顯著，大大改善了整車駕駛舒適性。