汽车振动控制：转向系统的方案

1.转向系统的结构及转向盘的振动问题

转向系统是由转向柱系统和管梁系统这两大系统组成，如图3-92所示。图3-93a为转向柱系统，转向柱通过两个支撑支架与车身相连接，转向盘安装在转向柱的上端，安全气囊安装在转向盘的中间。图3-93b是管梁系统，管梁的两端与A柱相连，中间有一个与地板相连接的大支架，有些管梁还有与车身的风窗前罩板连接的支架。

图3-92 转向系统

因为转向系统与车身相连接，所以传递到车身上的振动都有可能传递到转向盘上。比如，发动机的振动会通过悬置系统传递到车架，再传递到转向柱，达到转向盘；传动系统的振动传递到转向节，到转向器，再到达转向柱和转向盘；前端冷却风扇的振动传递到车身，达到转向盘；等等。

图3-93 转向柱与管梁

转向盘的振动是顾客能直接感知到的，也是顾客抱怨最多的NVH问题。转向盘的振动问题有三大类：一类是怠速时的抖动；二是加速过程中的抖动；三是巡航和加速过程中的摆振（nibble）。

怠速抖动的频率比较低，通常为2035Hz。抖动的原因是发动机、风扇等部件的激励频率与转向盘的固有频率耦合。怠速抖动多出现在空调开启时，因为开空调时，发动机的转速上升，容易与转向盘的模态频率耦合。比如一辆车装载的是四缸发动机，怠速转速是650r/min，对应的频率是21.7Hz。转向盘的固有频率是30Hz，与发动机的激励频率避开。当开空调时，转速上升到900r/min，对应的频率是30Hz，这与转向盘的固有频率吻合，从而产生了转向盘抖动。

摆振是在巡航时转向盘圆周方向的振动，振动频率一般为1015Hz。摆振的源头是轮胎的不平衡力，特别是当左、右两边的轮胎相位相反的时候，振动会加剧。这个振动通过底盘悬架系统传递到转向盘，人感受到的是转向盘在圆周方向振动。

摆振涉及轮胎、轮毂、悬架系统和转向盘，因此必须对每个部件进行很好的控制，才能消除或者降低摆振。当转向盘出现摆振时，需要检查轮胎的动平衡、悬架的刚度和胶套的刚度与阻尼，以及悬架的运动轨迹、转向盘系统的摩擦和阻尼。

2.转向系统的频率

转向系统的频率取决于几何结构、惯性和刚度。转向系统的振动频率是由转向柱系统和转向管梁系统这两个子系统的频率决定的。可以近似地将转向系统视为转向柱系统和管梁系统的串联，因此转向系统的频率f可以写为

式中，f₁为转向柱系统的频率；f₂为管梁系统的频率。

由式（3-88）可知，只有当两个子系统的频率都足够大时，转向系统的频率才能达到期望的值。

转向系统的频率要避开发动机和路面等激励频率，还要与车身模态频率分离，至少5Hz。

3.转向柱的结构控制

图3-94所示为一个转向柱系统的局部图，包括转向柱、转向盘和两个支架。它类似于一个悬臂梁，其频率由支架的支撑点位置和支架刚度、转向柱刚度、转向盘质量和安全气囊的质量决定。

图3-94 简化转向管柱的几何结构(www.xing528.com)

通常，转向柱通过两个支架，即上支架和下支架与车身连接。每个支架有两个安装点，共四个安装点，如图3-94所示。安装点的位置对转向柱刚度的影响非常大。下面简单讲述连接点之间的距离、转向柱的直径、转向盘质量等因素对转向柱频率的影响。

①上支架到转向盘的距离L₁。上支架与转向盘之间的关系就像一根悬臂梁，L₁就是悬臂梁的长度。L₁越短，转向柱频率越高，因此要尽可能使上支架靠近转向盘。

②上支架和下支架之间的距离L₂。上支架和下支架之间的部分形成了一个扭转弹簧，L₂越大，扭转刚度越大。因此，下支架要尽可能往下安装，以增加两个支架间的距离。

③每个支架两个安装点之间的距离D₁和D₂。连接点间的距离越小，就能使支架与转向柱贴合得越紧，转向柱的频率越高。因此，要尽可能使连接点靠近转向柱。

④转向柱的直径。管的弯曲刚度与其直径的4次方成正比，因此增加直径会大大地提升管的频率。

⑤转向盘的质量。作为一个悬臂梁，转向盘的质量越小，转向柱系统的频率就越高。设计时，可以采用轻质材料来做转向盘，如用铸铝合金或者复合材料来代替钢材。如果有安全气囊，则尽可能用质量小的气囊，并且将气囊安装到转向盘的最下面，使气囊与上支点的距离最短。同时气囊要刚性地与转向盘连接。

⑥转向柱上的开孔。开孔会降低系统的频率，因此要避免在转向柱上开孔。如果有开孔，就要减小孔的尺寸，以避免频率的降低。

4.转向管梁的控制

图3-95表示一个管梁系统。管梁的主体是一根管柱，两边通过支架与车身A柱相连，中间支架一边与管柱相连，另一边则与地板相连。有些管柱上还有一些小的支架与车身梁相连。

管梁系统的频率f₂是由管梁的刚度、与A柱连接的边界条件、中间支撑条件以及小支架的支持情况决定的。

①管梁的刚度。管梁安装在车身两边，如果安装得非常牢固，则可以把它看成固支梁。固支梁的刚度取决于它的长度和直径。长度是由车身设计决定的，只有增加直径才能提高刚度，但是，管直径的增加受到空间布置、重量和成本的限制。

②与A柱的连接方式。连接方式决定了管梁的边界条件，只有将管梁两边与车身（A柱）牢固连接时，才能使其刚度最大。因此，它与A柱的连接一定采用三点或更多点的连接，而且连接点要靠近管柱。

③中间支撑。在管梁中间加支撑就相当于把管分成了几部分，从而使其长度变短。中控箱支架是最重要的支撑。中控箱支架与管梁有两个支撑点，支撑点之间的距离越大，管梁的刚度越高。在管梁上再增加一个或者几个小支架会进一步提高刚度。当然，中控箱支架刚度非常重要，这取决于其自身刚度和与地板的连接方式。

5.转向盘动态吸振器

在产品开发的后期，有些车的转向盘振动仍然得不到有效的控制，特别是在开空调的时候。假设转向系统的频率是31Hz，四缸发动机的怠速是650r/min，开空调时为900r/min，对应的二阶频率分别是21.7Hz和30Hz。由于转向系统的频率与激励频率太近，会产生转向盘共振。因为在产品开发后期无法修改其他系统，此时最好的办法就是加装动态吸振器。吸振器呈扁平形状，如图3-96所示，与转向盘中间部分的形状吻合。

图3-95 转向管梁系统

图3-96 转向盘上的动态吸振器