怠速开空调方向盘异常抖动问题分析与优化

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[ 摘要] 针对某车型样车在怠速开空调工况下方向盘存在异常抖动现象，首先通过试验的方法对该问题进行识别，然后通过进一步分析确定了问题原因为冷却风扇运转时引起方向盘共振、冷却风扇本体振动大以及传递路径隔振不足。为了消除方向盘异常抖动，提出了重新匹配风扇转速、控制风扇动不平衡量和优化散热器安装点隔振性能三项优化措施，并对样车进行试验和主观评价，验证了优化措施的有效性。

[ 关键词] 方向盘; 异常抖动; 冷却风扇; 隔振; 优化

0 引言

方向盘是驾控车辆的重要零部件，也是与驾驶员的肢体发生直接接触的部件，方向盘的工作状态极易被驾驶员感知，尤其是当方向盘振动过大或出现异常抖动时容易引起驾驶员手部不适，甚至是情绪上的抱怨和不满。针对方向盘振动问题，文献[1] 分别从激励源、传递路径和响应点三方面提出降低发动机怠速转速、改变驱动轴万向节节型和优化转向柱结构的方法，有效控制了方向盘怠速振动；文献[2] 中通过调整方向盘和排气系统的模态，明显地改善了方向盘的抖动问题；文献[3] 通过优化转向管柱与仪表台连接处结构以及对方向盘进行轻量化设计，消除了方向盘共振，降低了方向盘振动；文献[4] 中通过优化冷却风扇减振垫的隔振性能，实现了怠速方向盘减振；文献[5] 通过控制冷却风扇的动不平衡量，消除了方向盘和车身的“拍振”。

某MPV 车型在NVH 开发过程中，发现样车在怠速开空调工况下，方向盘存在异常抖动现象，具体表现为方向盘振动大且有“麻手”的感觉。通过对问题进行识别和原因分析，本文提出重新匹配风扇转速消除共振，控制风扇动不平衡量减小激励源振动，以及优化散热器安装支架提升振动传递路径隔振性能的三项措施，有效降低了方向盘的振动，消除了方向盘异常抖动。

1 怠速工况方向盘振动测试

针对样车方向盘存在的上述问题，利用LMSTest.Lab测试系统对方向盘进行振动加速度测试。当车辆处于怠速开空调工况时，车上的主要激励源有发动机、空调压缩机和冷却风扇，这些激励源产生的振动都会通过车身结构传递至方向盘引起振动，因此需要在三种工况下对方向盘进行振动测试：一是仅发动机怠速工作；二是发动机和空调压缩机二者同时工作；三是怠速开空调工况，即发动机、空调压缩机和冷却风扇三者同时工作。图1 为3 种工况下所测得的方向盘振动加速度频谱图。

从图1 可以看出，工况1 和工况2 中方向盘在X，Y，Z 三个方向的振动都只有一个明显的峰值，其频率分别为25 Hz 和27.3 Hz；而工况3中方向盘的振动出现2 个明显的峰值，峰值频率分别为28.5 Hz 和31 Hz。经分析，工况1 和工况2 中方向盘的振动峰值频率以及工况3 中的第一个振动峰值频率正好对应于发动机二阶激励频率。由此可知，这些振动峰值是由发动机振动引起的，而工况3 中方向盘第2 个振动峰值频率与发动机激励频率不一致，因而不是由发动机振动引起的，属于其他激励引起的异常振动。相比较于前两种工况，工况3 介入了冷却风扇这一激励源，因而初步推断工况3 中的第2 个振动峰值是由冷却风扇引起的异常振动。

此外，针对怠速开空调工况，测得该工况下方向盘在X，Y，Z 三个方向的振动大小分别为0.08，0.04，0.05 g，振动总值为0.102 g，方向盘振动较大。

2 原因分析

2.1 方向盘模态分析

首先对方向盘进行模态测试。在方向盘上布置3 个振动加速度传感器，如图2 所示，并采用锤击法对样车方向盘进行测试，测得方向盘的第1 阶固有模态频率为31.1 Hz，且其振型为垂向。

2.2 冷却风扇振动分析

在怠速开空调工况下对冷却风扇本体进行振动测试，测试结果如图3 所示。图3 表明，冷却风扇的主要激励频率约为31.8 Hz（由于冷却风扇运转时存在±50 r/min 转速波动，因而该频率值与图1 中的30.96 Hz 略有不同），在X，Y，Z三个方向的振动大小分别为0.25，0.12，0.27 g，振动总值为0.387 g。

2.3 振动传递路径分析

在汽车上，对于能够产生振动的激励源，在其振动传递路径上通常都会设计隔振系统，以减小激励源产生的振动向车身传递。就隔振系统而言，其隔振性能与其刚度有直接关系，隔振系统的刚度值越小，传递到车身上的振动越小[6]，隔振性能越好。通常，隔振系统的刚度K 是由主动端结构刚度KM、弹性元件刚度KI 和被动端结构刚度KS 三部分决定的，其刚度表达式为

当弹性元件的刚度一定时，只有增加主、被动端结构的刚度才能使得隔振系统的刚度变小，且当主、被动端结构的刚度足够大时，隔振系统的刚度接近于弹性元件的刚度，此时隔振系统隔振性能最佳。

冷却风扇振动传递路径上的隔振系统是散热器安装点，由散热器、橡胶衬套和散热器安装支架3 部分组成，如图4 所示。从图中可以看出，散热器安装点的被动端结构为散热器安装支架，该支架悬支较长且采用一颗螺栓连接的方式安装于车身横梁上，存在刚度不足的风险。通过仿真计算得到该安装支架在0~100 Hz 频率范围内的等效动刚度值为：KX =27.1 N/mm，KY = 45.9 N/mm，KZ =10.5 N/mm，表明该支架在X，Y，Z 三个方向的动刚度值均较低，不利于隔振。

综上可知，怠速开空调工况方向盘异常抖动的原因如下：（1）冷却风扇的激励频率与方向盘的一阶固有频率十分接近，存在共振现象；（2）冷却风扇自身的振动激励较大，尤其是Y 向和Z向的振动较大，非常不利于方向盘振动控制；（3）散热器安装支架动刚度不足，导致散热器安装点的隔振不足，进而使得振动更容易向车身传递，引起方向盘振动。

3 优化及验证

3.1 冷却风扇避频

针对结构共振问题，最常见、最有效的方法是避频。对于冷却风扇和方向盘存在共振问题，可基于模态分析和采用轻质高刚度材料提高转向系统固有频率[7] 的方法实现避频。但根据问题整改的难易程度，首先考虑改变冷却风扇的激励频率，即改变冷却风扇的工作转速。由于冷却风扇是汽车冷却系统中的一个重要部件，其主要作用是保证发动机舱的散热效果，因而，改变风扇转速需基于发动机舱的散热要求进行。如若降低冷却风扇转速可能引起散热不足导致发动机舱过热；而提高冷却风扇转速，虽然能满足发动机舱的散热要求，但有可能引起噪声问题。因此，在改变冷却风扇转速时，需同时兼顾发动机舱的散热要求和噪声问题。此外，激励频率与结构频率之间至少要差开3 Hz，才能达到良好的避频效果，防止发生共振[8]。基于上述考虑，将风扇转速由原来的约1 900 r/min 提高到2 100 r/min，即将风扇的激励频率提高至35 Hz，此时既能保证机舱的散热和避免车内噪声增大，又能实现风扇的振动激励频率与方向盘固有频率避频。

3.2 冷却风扇减振

对于冷却风扇，由于其自身不可避免地存在一个偏心质量，使得其在高速旋转时会产生一个惯性离心力，该离心力是风扇所产生的主要激励。根据文献[9] 可知，冷却风扇在旋转过程中产生的激励力大小不仅与风扇的转速有关，还与风扇的动不平衡量有关，当提高冷却风扇转速时，势必造成风扇激励力和自身振动进一步增大，进而引起方向盘振动增大，此时，可通过控制风扇的动不平衡量来抑制激励力的增大，从而实现减振。通过对样车冷却风扇单体进行动平衡测试，测得提高转速后的风扇的动不平衡量为42.8 g·mm，明显超过了25 g·mm 的设计要求，因此，需要控制风扇的动不平衡量。经试验测试及分析计算，找出了风扇扇叶上2 个动平衡较差的位置，并在这两个位置分别增加质量为0.15 g和0.21 g 的质量块，使得风扇的动不平衡量由42.8 g·mm 降低到21.2 g·mm，满足了设计要求。

为了查看冷却风扇优化后的减振效果，对其进行振动测试。图5 为冷却风扇的振动测试结果。从图中可以看出，冷却风扇的主要激励频率约为35 Hz，风扇本体在X，Y，Z 三个方向的振动大小分别为0.18，0.10，0.17 g，较原状态分别减小0.07，0.02，0.10 g，风扇本体的减振效果显著。

3.3 散热器安装点隔振优化

由于散热器安装支架的动刚度较低会影响散热器安装点的隔振性能，因此需对散热器安装支架进行结构优化。图6 为散热器安装支架优化方案。即在该支架上增加一个小支架结构对原有支架进行加强，新增小支架的下端与原有支架焊接在一起，上端与上横梁采用螺栓连接，优化后对散热器安装支架重新进行动刚度计算，得到0~100 Hz 频率范围内的等效动刚度值分别为KX =67.9 N/mm，KY =216.6 N/mm，KZ=55.4 N/mm，优化后的动刚度值较原状态明显提高。

为了评估散热器安装点在优化前后的隔振性能，运用仿真方法对方向盘进行振动频响计算，同时为便于比较和更加清楚地看出优化前后的区别，对频响计算结果曲线进行对数处理。图7 为在散热器上施加Z 向单位动载荷计算得到的方向盘在X，Y，Z 三个方向的振动加速度对数曲线。由图可知，散热器安装支架优化后，方向盘的振动明显减小，表明散热器安装点的隔振性能得到了提升。

3.4 实车验证

将上述3 种优化措施运用于样车上，并在怠速开空调工况下对方向盘进行振动测试和主观驾评。图8 为方向盘的振动测试结果。

从图8 可知，方向盘在35 Hz 频率下只出现一个较小的振动峰值，表明冷却风扇和方向盘已经成功避频，共振消失。优化后，方向盘在X，Y，Z 三个方向的振动大小分别为0.06，0.03，0.03 g，较原状态分别减小0.02，0.01，0.02 g，振动总值减小0.029 g，方向盘的振动明显减小。最后，对样车进行主观驾评，发现方向盘“麻手”现象消失，且振动也明显减小。

4 结论

针对某车型样车在怠速开空调工况下方向盘存在异常抖动现象，通过问题识别和原因分析后，提出了提高冷却风扇转速消除方向盘共振、控制冷却风扇的动不平衡量减小激励源振动以及优化散热器安装支架提高散热器安装点的隔振性能三项优化措施，并进行了试验验证和主观驾评，结果表明，方向盘的振动总值由0.102 g降低到0.073 g，方向盘振动明显减小，异常抖动现象也消失了，有效地提高了车辆的驾乘舒适性。

作者：雷超宏，颜伏伍，李小荣，魏潘，郭福通

作者单位：（400039 重庆市东风小康汽车有限公司汽车技术中心）

来源：农业装备与车辆工程

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