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電動汽車方向盤抖動問題診斷與優(yōu)化分析
2021-12-20 14:38:55· 來源：噪聲與振動控制
摘要：針對純電動車在瀝青路上勻速20km/h行駛方向盤抖動問題，分析方向盤抖動產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，通過針對性的試驗(yàn)測試，分析傳遞特性和抖動響應(yīng)特征，根據(jù)診斷
摘要：針對純電動車在瀝青路上勻速20km/h行駛方向盤抖動問題，分析方向盤抖動產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，通過針對性的試驗(yàn)測試，分析傳遞特性和抖動響應(yīng)特征，根據(jù)診斷分析思路和工程經(jīng)驗(yàn)快速鎖定引起抖動的激勵源范圍。根據(jù)橡膠墊剛度經(jīng)驗(yàn)公式分析結(jié)果，降低襯套橡膠剛度，提升隔振性能且降低后扭力梁剛體模態(tài)頻率，避免與方向盤系統(tǒng)發(fā)生模態(tài)耦合。通過優(yōu)化襯套的對比試驗(yàn)分析，高效地確定可工程化的優(yōu)化整改方案，有效解決方向盤抖動問題。該優(yōu)化方案和分析思路，對其他車型及相似的抖動或其他零部件系統(tǒng)共振問題的解決具有較好的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：故障診斷；電動汽車；方向盤；抖動
純電動汽車是汽車行業(yè)未來的發(fā)展趨勢，其NVH性能備受廣大消費(fèi)者的重視和關(guān)注[1]。人們對汽車舒適性的需求不斷提高,汽車的抖動研究已日益受到人們的關(guān)注和重視[2–3]。電動汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤是影響駕乘感的重要因素[4]，行業(yè)內(nèi)較多工程人員在解決路面-輪胎激勵導(dǎo)致方向盤抖動問題方面積累了較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐案例[5–6]，振動抖動問題可以從抑制振動激勵、改善傳遞路徑和優(yōu)化結(jié)構(gòu)三方面改進(jìn)。目前較多研究者致力于解決傳統(tǒng)燃油車方向盤怠速抖動問題，這方面具有較多的分析研究和工程解決方案的積累[7]。而在純電動汽車某些系統(tǒng)的模態(tài)與方向盤系統(tǒng)模態(tài)耦合導(dǎo)致的方向盤抖動問題解決優(yōu)化案例較少。本文針對電動汽車方向盤抖動問題（與其他系統(tǒng)模態(tài)耦合導(dǎo)致），分析傳遞特性和抖動響應(yīng)特征，根據(jù)診斷分析思路和工程經(jīng)驗(yàn)制定了有效的工程化解決方案。
某電動汽車在瀝青路上勻速20km/h行駛時(shí)，方向盤抖動明顯，主觀評價(jià)不可接受。針對上述情況，對方向盤抖動的機(jī)理和影響因素進(jìn)行了探討和分析,結(jié)合激勵源、傳遞路徑特征開展診斷分析，最后提出了一種優(yōu)化方案，試驗(yàn)對比驗(yàn)證該優(yōu)化方案取得了良好的改善效果。該診斷分析思路和優(yōu)化方案為電動車方向盤抖動問題研究提供了一個(gè)可靠的依據(jù)。
1問題描述
針對某電動汽車在瀝青路面上勻速20km/h～30km/h行駛時(shí)，方向盤存在抖動問題，主觀評價(jià)不可接受,同樣工況下,主觀評價(jià)某競品車型無此問題。通過LMS測試設(shè)備采集該問題電動車和競品車型的方向盤振動加速度信號,測試工況均為瀝青路面上勻速20km/h行駛。經(jīng)LMS Test. Lab軟件分析其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比分析結(jié)果如表1和圖1所示：問題電動車方向盤的振動幅值大于競品車的振動幅值。通過頻譜數(shù)據(jù)分析可知，問題電動車方向盤的振動幅值主要頻率是34Hz，最大振動幅值0.70m/s2，而同等工況，競品車方向盤最大振動幅值0.38m/s2。
2 方向盤抖動的機(jī)理及原因分析
激勵源產(chǎn)生的振動通過車身傳遞到方向盤上，當(dāng)激勵源的頻率與方向盤的固有頻率接近時(shí)，方向盤將會發(fā)生較大的振動。
方向盤是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最敏感的零部件，是駕駛員直接接觸的部位，因此方向盤的抖動對駕駛的安全性和舒適性非常重要。從圖1的測試數(shù)據(jù)分析可知，問題電動車方向盤振動幅值主要頻率是34Hz，通過對方向盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)頻率測試分析，其模態(tài)頻率為33Hz，與抖動峰值頻率接近，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，該方向盤抖動問題可能是由某激勵源與方向盤系統(tǒng)模態(tài)頻率耦合所導(dǎo)致。
方向盤的抖動可能由單一激勵源產(chǎn)生，也可能是幾種激勵源的綜合作用。純電動汽車的方向盤抖動問題與傳統(tǒng)燃油車的方向盤抖動問題的區(qū)別較大。燃油車方向盤的主要激勵源有：
（1）發(fā)動機(jī)的不平衡力、轉(zhuǎn)矩引起的激勵力，當(dāng)上述激勵頻率與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率接近時(shí)，會導(dǎo)致方向盤產(chǎn)生強(qiáng)烈的抖動；
（2）冷卻風(fēng)扇的不平衡力：當(dāng)冷卻風(fēng)扇的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動頻率與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率接近時(shí)，會導(dǎo)致方向盤產(chǎn)生強(qiáng)烈的抖動；純電動汽車相比傳統(tǒng)燃油車在動力總成方面存在較大區(qū)別，沒有發(fā)動機(jī)的激勵力。
對電動車激勵特性進(jìn)行分析，能夠激起方向盤系統(tǒng)共振的激勵源可能有：
（1）空調(diào)壓縮機(jī)和冷卻風(fēng)扇的不平衡力；車輛靜置狀態(tài)下，空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)扇正常工作，無方向盤抖動問題，排除空調(diào)壓縮機(jī)及冷卻風(fēng)扇的因素。
（2）電驅(qū)總成懸置剛體模態(tài)頻率與方向盤系統(tǒng)模態(tài)頻率耦合；針對該激勵路徑，對電驅(qū)總成進(jìn)行了剛體模態(tài)試驗(yàn)，其測試結(jié)果分析得出，與方向盤系統(tǒng)模態(tài)頻率不存在耦合問題，該因素排除。
（3）后扭力梁剛體模態(tài)頻率與方向盤系統(tǒng)模態(tài)頻率耦合，對后扭力梁進(jìn)行FRF試驗(yàn)，測試結(jié)果分析如圖2所示，可知后扭力梁存在34.5Hz的剛體模態(tài)頻率。
根據(jù)上述分析和試驗(yàn)排查，初步推測可能是后扭力梁剛體模態(tài)與方向盤系統(tǒng)模態(tài)耦合，導(dǎo)致方向盤抖動明顯。為進(jìn)一步明確方向盤抖動的原因，對后扭力梁中間位置布置振動加速度傳感器，在粗糙路面勻速20km/h工況下，測試后扭力梁的振動響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。可知后扭力梁在35Hz附近存在明顯的振動響應(yīng)峰值，且與方向盤的振動響應(yīng)和模態(tài)頻率一致。綜上信息可說明該電動車在粗糙路面行駛，路面激勵引起后扭力梁剛體模態(tài)共振，后扭力梁剛體模態(tài)共振頻率與方向盤系統(tǒng)模態(tài)頻率接近，發(fā)生模態(tài)耦合，導(dǎo)致方向盤抖動。
3 優(yōu)化方案分析與試驗(yàn)驗(yàn)證
明確了方向盤抖動問題來源與后扭力梁剛體模態(tài)耦合，解決該問題有兩個(gè)優(yōu)化方向：（1）提升方向盤系統(tǒng)模態(tài)，避開后扭力梁剛體模態(tài)共振頻率區(qū)域；
（2）優(yōu)化后扭力梁襯套剛度，調(diào)整后扭力梁剛體模態(tài)，同時(shí)提升襯套的隔振性能，降低激勵能量的傳遞；
方案1的整改方案代價(jià)相對較大，優(yōu)化成本較高花費(fèi)時(shí)間較長，暫不優(yōu)先考慮；重點(diǎn)考慮方案2，對后扭力梁襯套實(shí)施優(yōu)化，優(yōu)化提升后扭力梁襯套隔振性能，減低襯套剛度。
為了降低激勵能量的傳遞，需要提高襯套的隔振率，更大程度地衰減后扭力梁的激勵能量傳遞。而隔振效果取決于隔振系統(tǒng)的剛度，而影響隔振系統(tǒng)剛度主要是彈性原件的剛度，即降低隔振墊的剛度。
根據(jù)圓柱形橡膠墊剛度經(jīng)驗(yàn)公式[8]：
式(1)中：K是橡膠隔振墊剛度，m是形狀差數(shù)，E是彈性模量，A是和H分別代表膠塊的面積和厚度。
可見，降低隔振墊的剛度，主要可以通過降低彈性模量或者加厚隔振墊厚度。影響彈性模量數(shù)值的主要因素是膠塊的硬度和膠塊壓縮量，通過降低膠塊硬度可以有效地降低其彈性模量，從而降低襯套隔振墊的剛度。
后扭力梁襯套原狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。襯套剛度為3900N/mm，剛度較大，該襯套結(jié)構(gòu)橡膠填充充盈近似實(shí)心襯套，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，僅通過降低橡膠膠料硬度不能達(dá)到大幅度降低襯套剛度的目的，需要調(diào)整優(yōu)化襯套橡膠結(jié)構(gòu)。經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后的襯套橡膠結(jié)構(gòu)如圖5所示。優(yōu)化后的襯套橡膠結(jié)構(gòu)通過采用不同橡膠硬度配方調(diào)出兩個(gè)不同剛度的優(yōu)化樣件，分別為：剛度1300N/mm，剛度800N/mm；
將優(yōu)化后的兩個(gè)不同剛度襯套樣件分別前后裝入后扭力梁，并實(shí)施粗糙路面對比試驗(yàn)，試驗(yàn)分析結(jié)果如圖6和表2所示：方向盤最大振動幅值相對原狀態(tài)有較明顯的降 低，其中：在原襯套剛度為3900N/mm狀態(tài)下，方向盤最大振動幅值3.7m/s2，在優(yōu)化樣件剛度為1300N/mm狀態(tài)下，方向盤最大振動幅值2.2m/s2，降低了40%；在優(yōu)化樣件剛度為800N/mm狀態(tài)下，方向盤最大振動幅值1.3m/s2，降低了65%。主觀評價(jià)，兩種剛度的優(yōu)化襯套狀態(tài)下，方向盤基本無明顯抖動觸感。
綜合主觀評價(jià)與試驗(yàn)測試的結(jié)果，剛度為800N/mm襯套方案狀態(tài)下，效果最佳但因該襯套太軟，可能存在撕裂風(fēng)險(xiǎn)；對優(yōu)化襯套剛度分別為800N/mm和1300N/mm的橡膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性分析，計(jì)算結(jié)果分別如表3和表4內(nèi)容所示。
由耐久性分析結(jié)果表3和表4內(nèi)容可知，優(yōu)化襯套剛度為800N/mm的橡膠結(jié)構(gòu)按照一個(gè)循環(huán)耐久次數(shù)加載計(jì)算，其總損傷系數(shù)為1.685，不滿足一個(gè)循環(huán)橡膠結(jié)構(gòu)總損傷系數(shù)＜1的要求；而優(yōu)化襯套剛度為1300N/mm的橡膠結(jié)構(gòu)基本滿足橡膠結(jié)構(gòu)總電動汽車方向盤抖動問題診斷與優(yōu)化分析205損傷系數(shù)＜1的要求。為驗(yàn)證該襯套的實(shí)際耐久性，將剛度為1300N/mm的優(yōu)化襯套結(jié)構(gòu)樣件搭載裝車，開展鹽城35000公里綜合耐久性試驗(yàn)，通過該試驗(yàn)結(jié)果表明：剛度為1300N/mm的優(yōu)化襯套無破損裂開問題，滿足耐久性性能要求。
綜上計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測試分析可知：剛度為1300N/mm襯套方案狀態(tài)可兼顧方向盤抖動問題的解決及其疲勞耐久性。針對剛度1300N/mm襯套方案，對比驗(yàn)證該襯套方案與原襯套狀態(tài)下后扭力梁剛體模態(tài)頻率的變化，如圖7所示。后扭力梁FRF對比試驗(yàn)可知，更換剛度1300N/mm優(yōu)化襯套樣件后，后扭力梁剛體模態(tài)從34.5Hz降為28Hz，有效地避開了方向盤系統(tǒng)模態(tài)頻率。
為了驗(yàn)證更換優(yōu)化襯套樣件后，方向盤振動響應(yīng)的改善效果，實(shí)施瀝青路面勻速20km/h行駛工況的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)測試結(jié)果與相同工況下的原襯套狀態(tài)及競品車型的方向盤振動響應(yīng)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖8和表5所示。
更換剛度為1300N/mm的優(yōu)化襯套樣件后，方向盤最大振動幅值由原襯套狀態(tài)下的0.70m/s2下降至0.43m/s2，降低比例39%，與某競品車方向盤振動幅值（0.38m/s2）接近，且綜合主觀評價(jià)方向盤完全無抖動觸感，方向盤抖動問題改善效果良好。
4 結(jié)語
從理論上分析純電動汽車方向盤抖動產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，通過針對性的試驗(yàn)測試，分析傳遞特性和抖動響應(yīng)特征，根據(jù)診斷分析思路和工程經(jīng)驗(yàn)快速鎖定引起抖動的激勵源范圍。對橡膠隔振墊材料屬性分析得出，降低橡膠襯套硬度，可提升其隔振性能且降低后扭力梁剛體模態(tài)頻率，避免與方向盤系統(tǒng)發(fā)生模態(tài)耦合。通過優(yōu)化襯套方案的剛度差異化樣件的對比試驗(yàn)分析，高效地確定可工程化的優(yōu)化方案，方向盤抖動問題改善效果顯著。本文的工作內(nèi)容和成果對其他車型及相似的抖動或部件共振問題的解決具有較好的指導(dǎo)意義。
作者：李建華，楊志偉，陳雙增
作者單位：（浙江零跑科技有限公司，杭州310051）
來源：噪聲與振動控制
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