汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計是整個底盤設(shè)計的重要部分。在全車的NVH性能開發(fā)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的震動是重要影響因素。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動以及轉(zhuǎn)向操作結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)向操作結(jié)構(gòu)包括了方向盤、轉(zhuǎn)向柱和傳動軸。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低頻共振主要表現(xiàn)就是方向盤共振，汽車在低速行駛時轉(zhuǎn)向盤出現(xiàn)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(chǎn)生的原因，通過實驗和探究提出解決方案，并且予以驗證。

關(guān)鍵詞：NVH研究;汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng);低頻共振

引言：? 汽車用戶對于汽車的性能指標(biāo)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(yōu)劣會對產(chǎn)品在市場環(huán)境中的競爭力直接產(chǎn)生影響。在具體實施整車EPS性能開發(fā)的過程中，通常都會將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動作為一個重要的考量因素。實際上導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低頻振動現(xiàn)象出現(xiàn)的一個主要原因就是發(fā)動機怠速激勵，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)生影響。因此，對于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域而言，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)合理性是極為關(guān)鍵的。

1.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振問題的分析

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低頻共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是由于車輛處于怠速狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中的頻率與發(fā)動機產(chǎn)生了怠速激勵使得頻率發(fā)生了耦合而導(dǎo)致的。汽車發(fā)動機處于怠速工況下產(chǎn)生的激勵，主要會產(chǎn)生往復(fù)慣性力，其頻率的產(chǎn)生通常與車輛搭載發(fā)動機自身的轉(zhuǎn)速及氣缸數(shù)之間存在關(guān)系。一般情況下，乘用車型的發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)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(dāng)汽車處于怠速工況的時候，駕駛員對于轉(zhuǎn)向盤產(chǎn)生的振動強度感受是最為敏感的，通常情況下汽車未經(jīng)過相關(guān)的優(yōu)化，那么將會使得整車的狀態(tài)出現(xiàn)轉(zhuǎn)化，不斷朝向系統(tǒng)1階模態(tài)轉(zhuǎn)化，這個時候非常容易與4缸發(fā)動機的怠速激勵頻率產(chǎn)生耦合，從而使得轉(zhuǎn)向盤出現(xiàn)低頻共振的狀況。例如，某輛車的車型空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)下其怠速轉(zhuǎn)速設(shè)定為750r/min、其空調(diào)處于開啟狀態(tài)下怠速轉(zhuǎn)速設(shè)定為850 r/min，其怠速發(fā)動機2階的激勵頻率檢測結(jié)果分別為25 Hz與28Hz。該試驗樣車處于怠速工況下，其轉(zhuǎn)向盤振動試驗結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)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(dāng)此車轉(zhuǎn)向盤處于三向加速度狀態(tài)下，在28 Hz左右的時候均會產(chǎn)生振動的最大值，當(dāng)三向加速度值X向處于0.39 m/s2時，其能量和能達(dá)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(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生共振的主要因素，進而針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型展開全面的分析與計算。針對原始轉(zhuǎn)向模型當(dāng)中所對應(yīng)的單體及TB級模態(tài)頻率展開分析，當(dāng)模態(tài)振型TB為橫向時其原始模型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為28.4Hz，垂向時其原始模型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為32.1Hz，其目標(biāo)要求均大于等于38Hz;模型振型為轉(zhuǎn)向管柱單體時，其橫向原始模型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為45.5Hz，其垂向原始模型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為50.0Hz，其目標(biāo)要求均大于等于50Hz。由此可見，該車輛的TB級模態(tài)與轉(zhuǎn)向管柱單體模態(tài)都不能使目標(biāo)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(xù)新車型具體實施開發(fā)的過程中所遇到的轉(zhuǎn)向盤共振問題方面，在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動問題實際開展研究的時候，主要對CAE分析方法、試驗?zāi)B(tài)分析方法進行了充分的應(yīng)用。⑴轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化：可通過CAE模型的方式展開分析，進而獲得轉(zhuǎn)向盤理論當(dāng)中的固有頻率以及振型，進而來對系統(tǒng)當(dāng)中的剛度特性進行了解;⑵針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展開相應(yīng)的工程改進設(shè)計，并且通過CAE進行可行性分析，然后針對改進之后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展開相應(yīng)的試驗驗證以及主觀評價工作。汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常是由多個子系統(tǒng)組合而成的，其整體部分的剛度主要是由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向柱能夠在不同車型之中都適用，所以有必要針對將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在剛度與模態(tài)因素兩方面的設(shè)計之初予以完善性的考慮，最終形成其相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則，在實施轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中起到知道作用。

2.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低頻共振的優(yōu)化

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)車型和車輛怠速行駛的頻率耦合現(xiàn)象，針對汽車低頻共振的現(xiàn)象，需要對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)進行技術(shù)上的提高，那么就需要對車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，主要包括一下幾個方面，首先，是優(yōu)化汽車前、后的轉(zhuǎn)向柱。在轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的兩側(cè)，保留并且加寬焊接到支架上;最后，就是轉(zhuǎn)向柱和CCB連接支架的整體厚度由3.2mm加厚至4mm，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在TB垂向模態(tài)下變?yōu)?8.6Hz，橫向模態(tài)下為40.37Hz，相比最初的狀態(tài)有了很大的提升，并且也滿足了當(dāng)初設(shè)定的目標(biāo)和要求，轉(zhuǎn)向柱的單體模態(tài)也滿足了原本的設(shè)計要求，由此可見，將CAE技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計優(yōu)化階段，能更好的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH的性能進行控制和把握，對汽車轉(zhuǎn)型系統(tǒng)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(yīng)的系統(tǒng)中所自帶的一些速度、轉(zhuǎn)向盤傳感器，來對汽車仿真過程當(dāng)中具體行駛的速度以及轉(zhuǎn)向盤力矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)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?shù)诫妱又D(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部當(dāng)中的電子控制單元中;最后將他們進行相應(yīng)的做和，將最終的目標(biāo)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(nèi)部的助力電流、上層控制策略進行確定，并將其相關(guān)目標(biāo)的助力電流實現(xiàn)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(yīng)F-PID復(fù)合控制器的利用下，來對電樞電流實施有效調(diào)節(jié)，最后輸出適用于汽車模型而且能夠?qū)崿F(xiàn)對汽車準(zhǔn)確有效控制的所需控制力矩。

3.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化后的驗證

為了證明CAE方針設(shè)計的有效性，對于優(yōu)化后的額轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在全車的形勢下做了以下的實驗、測試。在轉(zhuǎn)向模態(tài)測試設(shè)備進行測試時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處在整車安裝的制約情況下，通過錘擊的方式對壯行系統(tǒng)進行刺激，來測試方向盤和轉(zhuǎn)向管柱各處的振動反饋。優(yōu)化后全車狀態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測試，1階狀態(tài)垂向的擺動頻為38.9Hz，1階狀態(tài)下橫向擺動頻率是43.1Hz，指數(shù)都大于目標(biāo)設(shè)定的38Hz，并且，垂向和橫向的振動頻率差大于3Hz。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動模態(tài)，實驗的車型怠速行駛時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是750-850r/min，而與之相對應(yīng)的2階震動頻率是25-25Hz，在優(yōu)化后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)振動頻率相差大于10Hz，這也就可以避免了發(fā)動機怠速行駛時2階狀態(tài)引起的低頻共振問題。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)怠速形勢下空調(diào)開啟狀態(tài)優(yōu)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(zhuǎn)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(jù)CAE設(shè)計方針和模態(tài)試驗對汽車進行優(yōu)化，大大減少了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低頻共振的情況，為以后的汽車優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

4.總結(jié)：

汽車工程師在實際開展設(shè)計的時候，大多都憑借自身的經(jīng)驗來具體實施，在優(yōu)化設(shè)計與分析的方法方面缺乏成熟性與可靠性。需要與相應(yīng)的試驗車型相結(jié)合，來針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH特性實施開發(fā)，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為模擬優(yōu)化的研究對象，能夠切實實現(xiàn)汽車怠速工況下轉(zhuǎn)向盤振動的減小。此外，通過對有限元模型來對模態(tài)進行分析、優(yōu)化以及實車試驗等環(huán)節(jié)，能夠形成一套相應(yīng)的設(shè)計指導(dǎo)準(zhǔn)則，這對于汽車車型實現(xiàn)開發(fā)而言是具有較高應(yīng)用價值的。

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