李利  郑南  张松波  汪强  周云霞
长安汽车工程研究总院汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室 401120

　　摘要：本研究过程中运用了Altair HyperWorks软件。怠速激励源、传递路径、模态分布及结构设计是影响转向系统怠速振动水平的四个方面。本文分别对这四个方面进行了分析和举例说明。为转向系统怠速振动设计提供了方法。

　　1 概述

　　随着社会发展，消费者对汽车各项性能要求越来越高。为迎合消费者的需求，在激烈的市场竞争中处于有利地位，各大整车厂也增大了在性能提升上的投入，力求开发出更加优秀的产品。在诸多性能当中，NVH性能是各大整车厂竞争的焦点，各大整车厂往往要在提高产品NVH性能方面投入大量的资金。

　　NVH英文为：Noise Vibration Harshness。中文翻译为：噪声、振动和声振粗糙度。NVH水平反应了产品的品质、舒适度和档次。消费者能够直接感受到，且一定程度上反应了整车厂的技术水平，因此NVH性能对整车厂和消费者都很重要。

　　转向系统怠速振动水平，是衡量一款车型NVH性能的一个重要指标。驾驶员通过手能够直接感受到转向系统的怠速振动与否。若怠速振动严重，将影响驾驶乐趣，影响驾驶心情，甚至影响到安全性。怠速振动严重会引起客户抱怨，影响到产品的宣传和口碑，影响到整车厂的效益，故整车厂非常重视，在产品开发阶段花很大精力控制和解决怠速振动问题。

　　本文从怠速激励、转向系统模态及避频要求、振动灵敏度和转向系统零部件的设计方法四个方面阐述了转向系统怠速振动控制的方法。对转向系统怠速振动的前期设计和后期问题整改有一定指导意义。

　　2 怠速激励

　　2.1怠速主要激励分析

　　从影响转向系统振动水平的角度考虑，机车在怠速的时候主要激励有发动机怠速和冷凝风扇产生的激励。

　　发动怠速时转速相对较低，低阶激励起主要贡献。高阶贡献较小，可以不用考虑。以直列四缸机为例，怠速转速为720rpm，换算为频率为24Hz（（每分钟转速*缸数）/（2*60））。另外，怠速时发动机有空调开和空调关两个工况，在考虑发动机怠速激励时应该考虑到。

　　冷凝风扇一般有一个或两个工况（低档或高档），怠速时一般也只考虑激励的基频。以风扇工作转速1800rpm为例，换算成频率为30Hz（每分钟转速/60）。

　　2.2控制激励方法

　　发动机激励可以从两个方面控制：一、减小发动机本体怠速时的振动，在设计发动机NVH性能是会考虑到；二、设计更好的发动机悬置布置方式和悬置刚度特性，更加有效的衰减发动机本体传递到车体上的振动。这两个方面在前期发动机选型和总布置时就应该充分考虑，因为后期整改很困难。
   
　　冷凝风扇激励也可以从两个方面控制：一、减小风扇转体的不平衡量。二、为对风扇的激励进行衰减，散热器模块与车体的安装，采用合理的橡胶连接。

　　3 转向系统模态及避频要求

　　转向系统的垂向弯曲模态和横向弯曲模态对转向系统怠速振动起主要作用。转向系统模态频率必须满足与怠速主要激励频率避频10%以上的基本要求。避频可以考虑向下和向上避频两种，但考虑转向系统刚性、其它激励的影响和模态解耦的要求，如路面激励、轮胎不平衡激励、悬架模态等，一般考虑向上避频。向上避频无疑会增加成本，这需要在设计时进行取舍。

　　转向系统模态除考虑与怠速主要激励避频外，还应与整车的弯曲模态、前端弯曲模态、前端横摆模态等重要模态避开。

　　4 振动灵敏度分析

　　转向系统的振动是由激励源经过车身传递到方向盘上产生，因此除转向系统本身设计至关重要外，车身振动特性的设计对转向系统怠速振动设计也起着非常重要的作用。车身振动特性的设计可以通过振动灵敏度设计来实现。

　　本文讨论的灵敏度，主要指转向系统在怠速激励频率范围的振动灵敏度。振动灵敏度反应了车身传递振动的特性，可初步评估转向系统各个传递路径在一定频率范围的振动水平，找出主要的峰值进行评估和优化。在设计前期，振动灵敏的设计可以通过CAE的手段进行控制。

　　现以某车型为例，说明车身振动特性对转向系统振动的影响。分析软件使用Altair公司的HyperWorks软件进行有限元分析的前处理、分析和后处理。分析内容主要是在发动冷凝风扇安装点分别施加单位激励，输出方向盘9点和12点钟方向的速度响应。灵敏度曲线如图1所示：

图1某车型振动灵敏度曲线

　　图1中在22Hz、28.5Hz、31.5Hz和39Hz处有明显峰值。对峰值处进行模态贡献量分析发现：22Hz的峰值由前端横向弯曲模态主要贡献，28.5Hz峰值由前端弯曲和整车弯曲模态主要贡献，31.5Hz峰值由转向系统横向弯曲模态主要贡献，39Hz峰值由转向系统垂向模态主要贡献。说明车身模态和转向系统本体模态对转向系统振动均有贡献。

　　振动灵敏度分析可以初步判断转向系统的振动水平，通过判断灵敏度曲线的峰值是否超过设计要求来进行风险评估。在分析灵敏度曲线是，首先要确认峰值频率是否与怠速主要激励频率耦合。

　　5 转向系统设计

　　5.1 关键尺寸设计

　　该设计应该从总布置开始的时候进行，该阶段主要考虑转向系统布置的影响，以某车型的转向管柱信息进行说明，如图2和表1所示：

图2某车型转向管柱

表1关键尺寸设计

　　5.2 重要零部件质量设计

　　零部件质量对转向系统模态有很大影响，这些零部件主要为方向盘、安全气囊模块、转向锁、组合开关和旋转连接器。其最优设计要求如表2所示：

表2部分零部件质量设计

　　5.3 零件结构设计

　　零部件结构对转向系统模态起决定性作用。在转向系统模态优化工作中，很大部分精力都在零部件的结构优化上。重要零部件主要有：转向管柱本体、转向管柱上安装支架、转向管柱下安装支架、CCB与前壁板安装支架、CCB与左右立柱安装支架、CCB与前地板连接支架，CCB管梁。

　　零件结构设计主要考虑以下几方面：

　　支架结构尽量采用封闭结构。

　　支架结构尽量做上翻边。

　　支架间的焊接关系合理分布。

　　安装支架尽量采用多点安装方式。

　　支架尽量做上加强筋。

　　管梁在刚度要求高的区域，尽量用直径大的管梁。

　　安装位置要保证足够的局部刚度。

　　6 结论

　　本文从怠速激励、转向系统模态及避频要求、振动灵敏度和转向系统零部件四个方面研究了控制转向系统怠速振动的方法，具体结论如下：
  
　　1、怠速激励是振动产生的原因，通过降低发动机本体振动，减小冷凝风扇的不平衡量，可以减小激励。优化发动机悬置刚度，冷凝器连接采用橡胶隔振，能够减小激励传递到车身上。
  
　　2、转向系统模态频率应该与怠速主要激励频率避开，并且与整车弯曲模态、前端模态避开。
  
　　3、振动灵敏度分析可以初步判断各个传递路径上的振动水平，找出引起振动的原因。
  
　　4、转向系统设计主要从结构、尺寸和零件质量方面进行了说明，可以作为设计参考方向。

　　7 参考文献

　　[1] 庞剑等编 《汽车噪声与振动》 北京理工大学出版社 2006

　　[2] 杨二卫等 乘用车转向系统怠速振动问题解决方法探讨之模态分离 LMS 中国用户大会论文集 2009

　　[3] 傅志方等编《模态分析理论及应用》 上海交通大学出版社 2000　　
　
　　[4] Christian M. Fernholz， Prediction of Vehicle Steering System NVH from Component-Level Test Data， SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2006

Research on Idling Vibration Control Method of Steering System
Li Li  Zheng Nan Zhang Songbo Wang Qiang Zhou Yunxia

　　Abstract: Software of Altair HyperWorks is used in the study. The cause of Idle-shake、TPA、mode chart and structure design are four aspects to Idle-shake of steering system. Analysis and example are used in this paper.  Means are offered for Idle-shake of steering system.

　　Key words: NVH  Steering System Idle-Cause  Vibration-Sensitive