【摘要】: 某4 缸燃油車(chē)在1.6L+CVT 配置樣車(chē)上進(jìn)行整車(chē)NVH 性能優(yōu)化過(guò)程中，針對(duì)空調(diào)開(kāi)方向盤(pán)振動(dòng)偏大問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)排查，發(fā)現(xiàn)前、后懸置受預(yù)壓力過(guò)大導(dǎo)致方向盤(pán)振動(dòng)變大，前端冷卻模塊框架（塑料）模態(tài)及車(chē)身前部模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率耦合產(chǎn)生共振是導(dǎo)致方向盤(pán)振動(dòng)大問(wèn)題的根本原因。通過(guò)問(wèn)題排查及方案改進(jìn)，對(duì)整車(chē)NVH 問(wèn)題的優(yōu)化與解決具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：方向盤(pán)，懸置，冷卻模塊，共振。

引言

隨著汽車(chē)振動(dòng)研究迅速發(fā)展，振動(dòng)目標(biāo)制定得越來(lái)越高，理想的振動(dòng)控制目標(biāo)應(yīng)該是令人容易接受的，時(shí)間長(zhǎng)了也不令人厭煩的、完全符合顧客要求的。因此，汽車(chē)的振動(dòng)性能雖不是汽車(chē)的基本性能，但卻是汽車(chē)的質(zhì)量指標(biāo)，隨著人們對(duì)汽車(chē)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了解，汽車(chē)振動(dòng)將會(huì)決定汽車(chē)的銷(xiāo)售狀況，主宰著汽車(chē)市場(chǎng)。汽車(chē)的振動(dòng)性能也毫無(wú)疑問(wèn)成為了非常重要的一項(xiàng)汽車(chē)質(zhì)量指標(biāo)1。

1. 方向盤(pán)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理及問(wèn)題描述

1.1 方向盤(pán)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理

怠速方向盤(pán)振動(dòng)異常的頻率比較低，通常為20-35Hz 之間。振動(dòng)過(guò)大的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇等部件的激勵(lì)頻率與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或車(chē)身局部模態(tài)頻率相同或接近。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況時(shí)，車(chē)身處于靜止?fàn)顟B(tài)，車(chē)身受到的激勵(lì)全部來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)通過(guò)懸置向車(chē)身傳遞，懸置對(duì)激勵(lì)具有衰減作用。如果懸置沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，將會(huì)導(dǎo)致傳遞到車(chē)身的力過(guò)大，引起車(chē)身的振動(dòng)，從而是方向盤(pán)的振動(dòng)偏大2。圖1-1 所示是怠速方向盤(pán)振動(dòng)的傳遞路徑3。



發(fā)動(dòng)機(jī)的激振力主要包括氣體爆發(fā)壓力和往復(fù)慣性力兩部分，其內(nèi)部慣性力系中的不平衡力和力矩是引起振動(dòng)和噪聲的重要激勵(lì)源。主要存在沿氣缸中心線方向和曲軸旋轉(zhuǎn)方向的二階振動(dòng)，其主要考慮二階不平衡力源4。綜上所述，樣車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)以2 階成分為主，怠速開(kāi)空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速780r/min，對(duì)應(yīng)的2 階激勵(lì)為26Hz,4 階激勵(lì)為52Hz。

1.2 問(wèn)題描述

對(duì)整車(chē)狀態(tài)下怠速空調(diào)開(kāi)車(chē)內(nèi)方向盤(pán)振動(dòng)進(jìn)行摸底測(cè)試，測(cè)試工況為定置怠速N 檔位，測(cè)試結(jié)果如圖1-2；表1-1 所示。





通過(guò)表1-1 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，怠速空調(diào)開(kāi)車(chē)內(nèi)方向盤(pán)振動(dòng)明顯偏大，處于同類(lèi)車(chē)型較差水平。怠速方向盤(pán)振動(dòng)存在發(fā)動(dòng)機(jī)2 階、4 階振動(dòng)較大，發(fā)動(dòng)機(jī)高階次振動(dòng)衰減不夠等問(wèn)題。可能與懸置系統(tǒng)、前端散熱模塊隔振及模態(tài)、車(chē)身前端模態(tài)有關(guān)，后續(xù)需進(jìn)一步排查。

2. 前后懸置問(wèn)題排查及方案改進(jìn)

2.1 前后懸置問(wèn)題排查

由于車(chē)內(nèi)噪聲及振動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)二階較高，首先對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了初步查看5。通過(guò)懸置拆解，發(fā)現(xiàn)前、后懸置在怠速不受扭矩情況下，前、后懸置分別處于受壓狀態(tài)（見(jiàn)圖2-1），考慮到前、后懸置安裝在副車(chē)架上易對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生較大影響，采用分別斷開(kāi)前、后懸置進(jìn)行排查的臨時(shí)方案。



在轉(zhuǎn)轂上前、后懸置拆除前后方向盤(pán)振動(dòng)結(jié)果見(jiàn)下圖2-2-圖2-4 所示：





分別斷開(kāi)前、后懸置后方向盤(pán)振動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)2 階）X、Z 向都有較大幅度降低，這說(shuō)明前后懸置對(duì)方向盤(pán)在影響較大，需對(duì)前后懸置的隔振效果進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 前后懸置方案改進(jìn)

由于前后懸置在正常狀態(tài)下處于受壓狀態(tài)，會(huì)降低懸置隔振效果，因此考慮對(duì)前后懸置支架進(jìn)行了擴(kuò)孔處理（見(jiàn)圖2-5），使得前后懸置在正常安裝狀態(tài)下不受較大壓緊力。對(duì)后懸置支架擴(kuò)孔效果進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2-6（上圖原裝態(tài)，下圖后懸置擴(kuò)孔）。





經(jīng)過(guò)擴(kuò)孔處理使得前后懸置在正常安裝狀態(tài)不受預(yù)壓力的狀態(tài)下，方向盤(pán)振動(dòng)有所降低。

3. 前端冷卻模塊問(wèn)題排查及方案改進(jìn)

3.1 問(wèn)題排查

3.1.1 散熱器模塊的問(wèn)題排查

在斷開(kāi)前后懸置狀態(tài)下，利用斷開(kāi)散熱器模塊與車(chē)身的連接來(lái)驗(yàn)證散熱器模塊對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖3-1（上圖斷開(kāi)前后懸置裝態(tài)，下圖斷開(kāi)冷卻模塊車(chē)身連接）：



斷開(kāi)散熱器模塊與車(chē)身的連接后方向盤(pán)振動(dòng)降低近50%，這說(shuō)明散熱器模塊振動(dòng)對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)影響很大，需對(duì)散熱器-冷凝器隔振橡膠軟墊、冷卻風(fēng)扇等進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)前端冷卻模塊框架（塑料）進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果及測(cè)試示意圖見(jiàn)下圖3-2 到3-4：



從測(cè)試結(jié)果看，前端冷卻模塊框架存在25Hz 繞Y 軸擺動(dòng)模態(tài)，開(kāi)啟前艙蓋后頻率降低為23.9Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率（26Hz）相差約2Hz，同樣基本上避開(kāi)了因發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率引起的共振。

3.1.2 前艙蓋不同狀態(tài)下的問(wèn)題排查

在斷開(kāi)除了左右懸置之外的其他主要傳遞路徑后，方向盤(pán)振動(dòng)仍然較大，但在打開(kāi)前機(jī)艙蓋狀態(tài)下X、Z 向的振動(dòng)降低，Y 向有所增大。為確定前艙蓋的影響，對(duì)前艙蓋安裝狀態(tài)進(jìn)行改變，并進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下
表3-1：



試驗(yàn)表明：前艙蓋約束方式及質(zhì)量分布的改變可能會(huì)引起前端冷卻模塊模態(tài)的改變，進(jìn)而減小方向盤(pán)振動(dòng)。

由于前艙蓋閉合狀態(tài)對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)有較大影響，為排查方向盤(pán)振動(dòng)的傳遞路徑，在關(guān)艙蓋狀態(tài)下，對(duì)怠速空調(diào)開(kāi)時(shí)IP 管梁進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)下表3-2：



通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，IP 管梁左側(cè)振動(dòng)明顯高于右側(cè)振動(dòng)，IP 管梁左側(cè)為方向盤(pán)振動(dòng)傳遞的主要路徑。

3.2 方案改進(jìn)

3.2.1 散熱器橡膠隔振軟墊方案改進(jìn)

對(duì)散熱器剛體模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Z 向模態(tài)頻率在32Hz 左右，與冷卻風(fēng)扇一階轉(zhuǎn)動(dòng)頻率基本重合，容易引起共振。原橡膠墊硬度約65邵氏度，考慮到需降低散熱器剛體模態(tài)及增加橡膠軟墊隔振，將原橡膠墊硬度降低至45 邵氏度，水箱散熱器模態(tài)頻率測(cè)試見(jiàn)圖3-6。


在原硬度橡膠軟墊的基礎(chǔ)上，切除部分橡膠適當(dāng)降低剛度后，測(cè)試對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3-7。



安裝切除部分橡膠的手工樣件方向盤(pán)振動(dòng)在X 向略有放大，Z 向則略有降低。安裝硬度為45 邵氏度的橡膠軟墊與手工切除部分橡膠樣件對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3-8。



3.2.2 前端冷卻模塊框架方案改進(jìn)

為排除前端冷卻模塊框架影響，手工制作金屬前端冷卻模塊框架，如圖3-9 圖3-10 所示。



測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)下表3-3 所示：



通過(guò)測(cè)試結(jié)果看出，改制后的前端冷卻框架狀態(tài)方向盤(pán)振動(dòng)X 向、Z 向均有所降低。

3.2.3 冷卻風(fēng)扇的方案改進(jìn)

原風(fēng)扇由于動(dòng)不平衡量較大，對(duì)新優(yōu)化動(dòng)平衡風(fēng)扇（10g）進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖16-圖17。



優(yōu)化風(fēng)扇動(dòng)平衡后車(chē)內(nèi)方向盤(pán)對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇一階振動(dòng)降低約50%，效果整體較好。

4.車(chē)身前部問(wèn)題排查及方案驗(yàn)證

4.1 問(wèn)題排查

由于開(kāi)、關(guān)前艙蓋對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)影響較大，且IP 管梁的左側(cè)是影響方向盤(pán)振動(dòng)的主要傳遞路徑，因此，分別在開(kāi)、關(guān)前艙蓋狀態(tài)下對(duì)左縱梁、輪罩上部與A 柱下部區(qū)域進(jìn)行模態(tài)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果及測(cè)試示意圖4-1 圖4-5所示：







通過(guò)測(cè)試結(jié)果看，開(kāi)啟前艙蓋后左縱梁、輪罩上部與A 柱下部區(qū)域模態(tài)振型沒(méi)有發(fā)生明顯改變，但模態(tài)頻率降低近1Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率（26Hz）相差約2.5Hz，基本上避開(kāi)了因發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率引起的共振，這也是開(kāi)啟艙蓋后方向盤(pán)振動(dòng)降低的原因。

4.2 方案改進(jìn)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出左縱梁、輪罩上部與A 柱下部區(qū)域模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率（26Hz）頻率接近，引起車(chē)身前部共振，從而使振動(dòng)傳遞到方向盤(pán)。

為了將發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)頻率與車(chē)身前部模態(tài)頻率避開(kāi)，在以上優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，可通過(guò)在左縱梁、輪罩上部與A 柱下部區(qū)域加26Hz 的吸振器，測(cè)試結(jié)果如圖4-1 所示。





從圖4-2 及表4-1 測(cè)試結(jié)果可以看出加上26Hz 的吸振器后，方向盤(pán)振動(dòng)明顯減低，說(shuō)明此方案有效。在此狀態(tài)下，方向盤(pán)振動(dòng)達(dá)到目標(biāo)值。

5.總結(jié)

此前，針對(duì)怠速工況下方向盤(pán)振動(dòng)的研究主要集中在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)耦合導(dǎo)致的振動(dòng)被放大。但是，隨著汽車(chē)NVH 方面研發(fā)的投入不斷加大，汽車(chē)方向盤(pán)振動(dòng)機(jī)理更加復(fù)雜，因而，我們需要套完整的流程來(lái)解決該問(wèn)題，具體問(wèn)題具體分析，本文通過(guò)優(yōu)化某車(chē)型怠速工況下方向盤(pán)振動(dòng)得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的思路：

1.分析激勵(lì)源，識(shí)別激勵(lì)源，并最終降低激勵(lì)源激勵(lì)，從而降低方向盤(pán)振動(dòng)；

2.優(yōu)化傳遞路徑，特別是從衰減動(dòng)力總成到懸置排氣吊鉤等傳遞到車(chē)身振動(dòng)；避免傳遞路徑產(chǎn)生共振，使振動(dòng)被放大，從而傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

3.對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行合理的避頻及剛度設(shè)計(jì)，減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)源的響應(yīng)6。


作者：王昌昌，崔華閣，李位建，楊春清
作者單位：(中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300)
來(lái)源：2020 年第十七屆汽車(chē)NVH 控制技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集