某SUV 車型方向盤高頻振動問題分析與優(yōu)化

李彬，畢金亮，榮萬崇，崔國塏，曹春雨

（1.130013 吉林省 長春市 中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院；2.130011 吉林省 長春市 汽車振動噪聲與安全控制技術(shù)國家重點實驗室）

0 引言

目前，良好的整車NVH（振動、噪聲和聲振粗糙度）性能表現(xiàn)已逐步成為消費者對汽車產(chǎn)品的基本訴求。在使用汽車產(chǎn)品的過程中，方向盤作為與消費者身體直接接觸最多的零部件之一，其振動水平直接影響駕駛員舒適性感受。以往，汽車主機廠主要關(guān)注100 Hz 以內(nèi)方向盤振動表現(xiàn)[1-3]，且大多數(shù)方向盤振動問題發(fā)生在40 Hz 以下，如方向盤模態(tài)與激勵耦合出現(xiàn)的振動問題[4]，頻率更低的方向盤擺振問題[5]，大于100 Hz 的振動不易被人體感知基本成為行業(yè)共識[6]。

本文作者針對某SUV 車型加速工況方向盤振動大帶來的手部酥麻感問題，通過整車測試、評價及模態(tài)識別等提出結(jié)構(gòu)改進方案，優(yōu)化后方向盤高頻振動問題改善明顯。應(yīng)用電磁激振臺模擬不同頻率、不同幅值的方向盤振動情況并進行主觀評價，確認150 Hz 以下激勵頻率可被感知，并總結(jié)出不同頻率范圍的主觀感受特征，以及不同振動幅的主觀評分水平。

1 加速工況方向盤振動問題

1.1 方向盤高頻振動

被測車輛加速工況存在明顯的方向盤振動問題，行駛速度為80 km/h 左右時，駕駛員明顯感知方向盤振動帶來的手部酥麻感，主觀評分6 分。經(jīng)道路實車測試分析，在車速80 km/h、中心頻率130 Hz 左右時方向盤振動存在明顯峰值，振動峰值達0.13g，測試結(jié)果如圖1 所示。方向盤振動問題分析中，通常只關(guān)注100 Hz 以內(nèi)的振動問題，認為100 Hz 以上振動不易被人體感知，此次測試表明需進一步確認加速工況方向盤振動問題是否與130 Hz 左右高頻振動關(guān)聯(lián)。

圖1 原狀態(tài)方向盤振動測試結(jié)果Fig.1 Steering wheel vibration test results in original state

1.2 整車狀態(tài)下零部件模態(tài)識別

對被測車輛進行整車狀態(tài)下零部件模態(tài)識別測試，首先識別方向盤固有模態(tài)頻率，分析可得方向盤1 階固有模態(tài)頻率為38 Hz，且100 Hz 以上無明顯峰值頻率，結(jié)果如圖2（a）所示。在對底盤零部進行模態(tài)測試識別中，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)動橋后端存在126 Hz 固有頻率局部模態(tài)，且該頻率下能量處于最高峰值，結(jié)果如圖2（b）所示。

圖2 整車狀態(tài)下零部件模態(tài)識別Fig.2 Modal identification of components in vehicle state

2 道路試驗及前驅(qū)動橋優(yōu)化方案驗證

2.1 前驅(qū)動橋振動測試

在前驅(qū)動橋后端殼體位置布置三向加速度傳感器，并進行實車道路測試，復(fù)現(xiàn)方向盤出現(xiàn)振動問題工況。經(jīng)分析，前驅(qū)動橋后端殼體振動情況與方向盤振動高度吻合，即加速工況80 km/h 左右存在明顯的振動峰值，頻率在130 Hz 附近，如圖3所示，且整個加速過程存在明顯的共振帶特性，共振頻率為130 Hz 左右，與零部件模態(tài)識別中前驅(qū)動橋后端126 Hz 局部模態(tài)相近。

圖3 D 擋加速前驅(qū)動橋殼體振動Fig.3 Front drive axle vibration in D-gear acceleration

2.2 前驅(qū)動橋吸振器優(yōu)化方案驗證

在前驅(qū)動橋后端安裝固有頻率為130 Hz 的動力吸振器，如圖4 所示。該動力吸振器關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如下：Z 向固有頻率滿足130 Hz±5%，質(zhì)量滿足3 kg±200 g。經(jīng)實車道路評價測試，加速工況80 km/h 左右方向盤酥麻感問題改善明顯，主觀評分6.75 分；方向盤130 Hz 左右高頻振動峰值由0.13g下降至0.07g，如圖5 所示。其它頻率段振動情況較原狀態(tài)無明顯變化，即有力說明被測車輛加速工況80 km/h 左右出現(xiàn)的方向盤酥麻感問題來源于方向盤130 Hz 左右高頻振動，前驅(qū)動橋130 Hz 左右共振帶強迫激勵引起方向盤在該頻率下的高頻振動是導(dǎo)致問題的真因，證實了100 Hz 以上方向盤振動問題可被人體感知。

圖4 前驅(qū)動橋后端安裝動力吸振器Fig.4 Vibration absorber installed at the rear of front drive axle

圖5 優(yōu)化后方向盤振動測試結(jié)果Fig.5 Steering wheel vibration test results after optimization

3 方向盤振動主客觀對應(yīng)分析

實車主觀評價是評判方向盤振動問題水平的重要依據(jù)，主觀評價依據(jù)主觀評價表對實車方向盤振動問題感知水平進行等級劃分，主觀評價基準如表1 所示[7]。本文提到的方向盤130 Hz 左右高頻振動問題，振動峰值由原狀態(tài)的0.13g 下降到優(yōu)化后的0.07g，主觀評分由6.00 分提升至6.75 分，為單一問題下的主客觀對應(yīng)結(jié)果，未覆蓋其它方向盤振動頻率及幅值。

表1 主觀評價基準Tab.1 Subjective evaluation criteria

3.1 電磁激振器模擬方向盤振動問題

為進一步研究方向盤振動客觀值與主觀評分的關(guān)聯(lián)，根據(jù)實車方向盤振動問題，如某純電車型粗糙路面方向盤振動大問題，振動頻率35 Hz，振動幅值0.06g，實車主觀評分6.5 分，應(yīng)用電磁激振臺輸入相應(yīng)振動頻率、振動幅值進行模擬，經(jīng)專業(yè)NVH 主觀評價團隊共同評價確認，電磁激振臺模擬方向盤振動主觀評價與實車主觀評價結(jié)果一致，即可通過電磁激振臺輸入對應(yīng)方向盤振動頻率及幅值的方式，模擬方向盤振動水平，主觀評價人員可直接對電磁激振臺振動水平進行評價，得出實車主觀評價結(jié)果。電磁激振臺模擬方向盤振動如圖6 所示，方向盤模型剛性連接于激振臺。

圖6 電磁激振臺模擬方向盤振動Fig.6 Simulation of steering wheel vibration with electromagnetic vibration test station

3.2 方向盤不同振動頻率下客觀值與主觀評分對應(yīng)分析

主觀評價人員按照表1 對不同頻率、幅值的電磁激振臺振動水平進行主觀評價，形成客觀值水平與主觀評分統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，總結(jié)出實車方向盤不同振動頻率客觀值與主觀評分對應(yīng)結(jié)果，建立實車方向盤振動客觀值水平與主觀評分關(guān)聯(lián)性，如表2 所示。因為已經(jīng)通過大樣本量主觀評價人員共同評價，并取平均分，所以表2 具有普遍性。當(dāng)車輛出現(xiàn)方向盤振動問題時，可通過表2 快速定義實車方向盤振動水平，從而為方向盤振動問題的解決提供借鑒。

表2 實車方向盤振動頻率下客觀值與主觀評分對應(yīng)結(jié)果Tab.2 Corresponding results of objective value and subjective score under different vibration frequencies of real vehicle steering wheel

4 結(jié)論

（1）本文研究了某SUV 車型方向盤高頻振動問題，得出了方向盤100 Hz 以上高頻振動可被人體感知的結(jié)論；

（2）通過模態(tài)識別和整車道路試驗，提出了前驅(qū)動橋安裝動力吸振器的優(yōu)化方案，有效改善了加速工況方向盤酥麻感問題，主觀評分由6.00 分提升至6.75 分；

（3）進行了方向盤振動主客觀對應(yīng)分析，創(chuàng)新性應(yīng)用電磁激振臺模擬實車方向盤振動問題，總結(jié)出方向盤不同振動頻率下客觀值與主觀評分對應(yīng)結(jié)果。