安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽省合肥市 230601
摘要：客户对车辆乘坐舒适性要求越来越高，尤其对车辆的低频振动非常关注。某轿车研发过程中，出现发动机怠速冷却风扇工作时方向盘间隙性振动问题，主观感觉较为明显。通过对转向盘间隙性抖动的产生机理进行详细分析，找出了产生问题的主要原因是发动机二阶振动和冷却风扇周期性旋转振动的频率存在差值所导致的。最终采取调整发动机怠速转速的方案消除了向盘间隙性抖动问题。
关键词：低频振动；间隙性；产生机理；旋转
1 问题说明
某轿车在发动机怠速工况冷却风扇工作时，出现了整车间隙性振动，其中转向盘振动最为明显，主观感觉难以接受。
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图1：怠速工况转向盘振动频谱
从图1中可以看出，在车辆处于工况1时，转向盘的振动只有一个峰值频率为25Hz，振动较小，不存在间隙性抖动。对于工况2而言，转向盘的振动存在两个峰值频率，分别为25Hz和29Hz，振动较大，存在较为明显的间隙性抖动。而对于工况3而言，转向盘的振动同样存在两个峰值频率，分别为27Hz和29Hz，振动幅值也达到了0.02g，存在较为明显的间隙性抖动。
2 产生机理
车辆怠速工况转向盘振动是一种比较常见的现象，尤其是在空调压缩机启动和冷却风扇工作时会变得较为明显。
2.1工况1：发动机怠速，压缩机和冷却风扇都不工作
发动机振动是主要的振源，其产生的振动通过悬置传递给车身，再由车身传递给转向盘，从而引起转向盘振动，所以，转向盘的振动峰值频率与发动机的二阶振动频率是一致的。在工况1时，发动机的二阶振动频率可以根据公式
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来计算，其中
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为发动机转速750rpm，
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为发动机缸数4，
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为发动机冲程数4，通过计算发动机二阶振动频率为
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Hz，从转向盘的振动频谱来看，其峰值频率也为25Hz，与发动机二阶振动频率重叠。在此工况下，转向盘只有一个振源和峰值频率，没有产生间隙性抖动。
2.2工况2：发动机怠速，压缩机不工作，冷却风扇工作
与工况1相比，除了发动机外，新增了一个振源，就是冷却风扇旋转振动，在工况2下，有两个振源，一个是发动机，另一个是冷却风扇。对于发动机而言，二阶振动频率为
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Hz。而对于冷却风扇来说，由于制造工艺水平限制，很难做到风扇动平衡为零，当冷却风扇高速旋转时，由于惯性作用，会产生一个周期性的离心力，这个离心力会通过前端模块带动整个车身产生振动，从而引起转向盘的抖动。冷却风扇在工况2下的的转速
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为1740rpm，其离心力振动频率通过公式
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来计算为29Hz，如此一来，两个振源的频率分别为25Hz和29Hz。而从图1中转向盘的振动频谱来看，也确实存在两个峰值频率，分别为25Hz和29Hz，刚好与两个振源的频率相对应，也正是因为有两个峰值频率的振动存在，才导致了转向盘产生了间隙性抖动现象。
2.3工况3：发动机怠速，压缩机工作和冷却风扇工作
相对于工况2来说，工况3的压缩机处于工作状态，此时发动机的负荷增加，转速上升为810rpm，通过公式
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计算得出发动机二阶振动频率为27Hz。工况3时，冷却风扇的转速不变，还是1740rpm，冷却风扇的离心力振动频率
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仍然是29Hz。工况3时，两个振源的振动频率变为27Hz和29Hz，从转向盘的振动频率来看，同样存在这两个频率的振动峰值，出现了间隙性抖动。
从三种工况下转向盘的振动性能对比分析可知，只要冷却风扇处于工作转动状态，转向盘就会产生两个峰值频率的振动，从而产生间隙性抖动现象。
3 试验验证
通过三种工况下转向盘间隙性抖动产生的机理分析得出，如果要消除转向盘间隙性抖动，需要把转向盘的两个峰值振动频率合并为一个振动频率，最直接的方法就是对发动机的转速或者是冷却风扇的转速进行调整。
3.1 调整转速验证
为了确保调整转速方案的有效性，需要进行试验验证。验证方案为：保持发动机怠速工况转速不变为750rpm，其二阶振动频率为25Hz，通过外接电源来调整冷却风扇的转速，按照从低到高分别为1320rpm、1380rpm、1440rpm、1500rpm、1560rpm、1620rpm、1680rpm、1740pm和1800rpm，（通过公式
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计算，其对应的周期性离心力产生的振动频率分别为22Hz、23Hz、24Hz、25Hz、26Hz、27Hz、28Hz、29Hz和30Hz）。
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图2：冷却风扇1500rpm频率25Hz
从图2可知，有当冷却风扇的转速为1740rpm时（对应冷却风扇周期性离心力振动频率为25Hz，与发动机二阶振动激励频率一致），转向盘没有产生间隙性抖动，其它转速工况都存在间隙性抖动，并且间隙性抖动的频率与两个振源的振动频率差值相等。
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图3：冷却风扇1680rpm频率28Hz
以图3为例进行说明，图3工况下，冷却风扇转速为1680rpm，振动激励频率为28Hz，与发动机二阶振动激励频率25Hz差值为3Hz，从图3振动时域看出，从4.86秒到5.86秒之间的1秒时间内，产生了3个明显的振动，即频率为3Hz的间隙性抖动，其它冷却风扇转速下的振动情况与图3相同，该结论与转向盘间隙性抖动产生机理的分析结论完全一致。
3.2 量产方案设计
从试验验证结果分析，可以通过调整发动机转速或冷却风扇转速的方法来合并两个峰值振动频率，从而消除转向盘间隙性抖动，但是，对于具体的量产方案而言，需要重点考虑调整哪个转速的可实施性较好。首先考虑第一种方案，调整冷却风扇的转速，如果把冷却风扇转速从1740rpm往低转速方向调整，一方面要重新匹配冷却风扇电阻，导致成本增加，同时，
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图4：量产车怠速工况转向盘抖动频谱
调低转速后会对整车的热平衡造成影响，如果往高转速方向调整，则会增加冷却风扇的噪声，导致车外和车内的噪声都会上升。第二种方案就是保持冷却风扇转速为1740rpm不变的情况下调整发动机怠速转速，由于转向盘间隙性抖动问题只是出现在冷却风扇工作时，所以，从两方面考虑，一是冷却风扇不工作时，发动机怠速转速保持750rpm不变，二是冷却风扇工作时（转速为1740rpm），发动机怠速转速调整为870rpm，这样发动机振动的二阶激励频率和冷却风扇旋转产生的周期性离心力振动频率都为29Hz，从振源上消除间隙性抖动产生的根本。
3.3 量产方案验证
为了确保量产车辆的效果，对生产线量产的车辆进行测试分析，结果如图4所示。
通过图4分析可知，转向盘在发动机怠速冷却风扇转动工况时，只有一个峰值振动频率29Hz，该频率为冷却风扇旋转的基础频率，也是发动机二阶振动频率，即两个频率实现了重叠，没有再现两个峰值频率的振动，从主观评价来说，转向盘间隙性抖动现象消除。
4 结论
发动机怠速转向盘间隙性抖动是一种比较常见的问题现象，本论文从问题现象入手，对转向盘间隙性抖动的产生机理进行了详细分析，根据分析结论设计了试验和量产的转速调整方案，并对相应的方案进行了测试验证，最终消除了怠速工况转向盘间隙性抖动问题。
参考文献：
[1] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动——理论与应用[M].北京.北京理工大学出版社，2006；
[2] 庞剑 汽车车身噪声与振动控制[M].北京.机械工业出版社，2017；
作者简介：邓厚科（1981-11），男，汉族，籍贯：安徽合肥，当前职务：NVH主任工程师，当前职称：工程师，学历：研究生，研究方向：NVH设计开发