0 前言

汽车NVH是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，传递给驾驶员和乘客的声音、振动感受是最直接和最表面的。本文结合某乘用车开发过程中在空调开启工况下转向盘发生抖动的问题，应用频域分析方法解析转向盘振动信号特征，同时对可能引起转向盘抖动的激励源进行诊断排查，最终锁定抖动问题激励源为压缩机振动，并根据传递路径方法提出有效的措施方案，解决此车型转向盘抖动问题。

1 问题描述

某乘用车在驻车状态，打开空调制冷时转向盘有明显抖动感，经主观评价不能接受。根据“源-传递路径-响应”的NVH分析基本原理，转向盘抖动问题可能由以下原因造成。

当空调开启时，其系统包含的多个旋转部件（包括压缩机、鼓风机、冷却风扇及冷却水泵等）均会产生机械振动激励，这些激励可能通过车身结构传递至转向系统，并在特定频率下与转向盘结构发生共振，致使转向盘发生抖动。转向盘抖动可能由单一激励引起，也可能由几种激励综合作用导致，为准确识别主要振动源及其贡献度，设计试验方案获取“源”以及“响应”的振动信号数据，以确定问题的根本原因。

在汽车行业NVH测试规范中，转向盘振动的测试方法通常是将空调设置为制冷模式，温度调至最低挡位，鼓风机风量调节至一档，并选择内循环吹脸模式。使用三向加速度传感器采集转向盘12点位置的振动信号。

按照以上试验方案，在转向盘、压缩机、鼓风机、冷却风扇以及冷却水泵分别布置加速度传感器，进行测试，单次测试时间长度为10s，测试得到各点的时域信号数据，结果如图1所示。

图1 时域信号数据

对比时域振动信号，无法判断转向盘抖动与各激励源的相干关联信息，因此针对此转向盘抖动问题，提出一种频域分析方法，对时域信号进行傅里叶转换处理得到各测点的频域信息，包括频率、幅值等。

2 频域分析基本原理

汽车在驾驶或空调等子系统工作时产生的噪声、振动问题通常以时间单位被获取，即所测得的信号为时域信号。但是在振动问题诊断过程中，结构的振动特性在时域分析中难以直观的体现出来，因此需要通过转换为频域信号来了解其中的频率成分和功率分布。频域分析的目的是把复杂的时间历程波形，经傅里叶级数（Fourier series）分解为若干单一的谐波正弦（或余弦）函数分量的叠加，再通过傅里叶变换（Fourier transform）由时域变成在频域内的呈现，以获得各谐波信号的频率、幅值以及相位信息，过程如图2所示。

图2 时频转换—傅里叶原理

设输入振动信号为f (t ),由傅里叶级数展开表达式为：

式中，a₀为常数项,表示一个周期信号在一个周期内的平均值；a_n和b_n是正弦和余弦函数的系数，决定每个正弦、余弦函数的振幅和相位。

傅里叶变换表达式为：

式中，F（w）为f (t )的傅里叶变换函数，为复指数；表示频率；t 为时间。

3 转向盘抖动原因分析

根据上述，对测试得到的时域振动信号进行傅里叶变换处理，由于转向盘抖动属于结构低频振动，选取0～100Hz频率区间的信号进行处理分析，结果如图3和表所示。

图3 各测点频域信号

由以上测试结果分析可知，转向盘振动主要贡献成分的频率特征为42Hz，振动大小为1.27m/s²。对比各测点的频率特性，压缩机的工作基频42Hz与转向盘振动主频频率一致，两者具有显著的相干性，初步判断压缩机振动是导致转向盘抖动的主要激励源。进一步分析压缩机至转向盘的振动传递路径。

从结构形式上此车型空调压缩机安装在底盘副车架上，与副车架通过橡胶进行隔振，转向机构安装在此副车架，副车架与大梁刚性连接，振动能量主要通过图4中所示路径进行传递。

图4 压缩机——转向盘振动传递路径示意

结合传递路径分析，初步判断识别两个可能导致转向盘振动过大的关键因素。

（1）压缩机橡胶隔振垫的隔振性能不足。

（2）压缩机工作激励频率与转向盘模态频率产生共振耦合。为准确判定主要影响因素，以下设计了压缩机系统隔振性能测试以及向盘模态测试。

橡胶隔振水平通常用隔振率来表征，隔振率越大，隔振效果越好。工程中一般以数值指标进行量化评价，隔振率的计算公式为：

式中，T_dB为隔振率分贝表征形式；a_a为主动侧加速度值；a_p为被动侧加速度值。对压缩机进行隔振测试，结果如图5所示。

图5 原状态压缩机主被动侧振动

压缩机主动侧振动加速度大小为2.23m/s²，被动侧振动大小为0.71m/s²，由隔振公式可得主方向Z向隔振仅为9.9dB，小于20dB的隔振要求，隔振效果较差。

转向盘作为车内主要振动响应部件，其主要模态应满足与主要激励源（包括发动机、压缩机及真空泵等旋转部件）频率相互解耦要求。根据模态规划，各子系统结构模态频率应满足以下要求.

（1）非直接连接系统：模态频率间隔≥1Hz。

（2）机械耦合系统：模态频率间隔≥3Hz。

测试数据表明，转向盘一阶模态为31.4Hz,二阶模态为36.8Hz，与压缩机工作频率42Hz间隔≥5.2Hz，达到模态避频要求，排除了直接模态耦合的可能性。后续将问题分析重点转向隔振系统性能优化方向。

4 解决思路

经以上分析，确认转向盘抖动问题的主要成因在于空调压缩机本体振动过大及其隔振系统效果较差。结合“激励源—传递路径—响应”基本分析模型，提出以下优化对策方案。

（1）激励源控制：实施压缩机转子动平衡优化，适当调整压缩机工作转速，以降低本体振动能量。

（2）传递路径控制：将现有单级隔振系统升级为二级隔振架构或优化隔振橡胶材料参数，提升隔振能力。对优化方案进行可行性分析评估，综合考虑开发周期和成本，确定重点从传递路径方向进行优化。压缩机隔振系统由于总布置限制的原因无法设计二级隔振，因此优先考虑优化隔振橡胶材料参数。硬度是衡量橡胶材料力学性能的核心指标之一，通常以邵氏硬度（Shore A）表示。当前设计的隔振橡胶垫硬度为65HA，考虑降低橡胶垫硬度至50HA。调整方案具体实施将遵循以下技术路径。

（1）进行工艺材料参数优化。

（2）组织台架耐久性能测试。

（3）实施实车验证。

实车验证阶段将重点考察硬度调整后的隔振效果及其对系统可靠性的影响。

5 效果验证

按照上述优化方案，由供应商提供硬度为50（±5）HA的橡胶垫样件并进行装车测试，对比原状态与优化后转向盘以及压缩机主被动侧振动，其中压缩机主动侧振动加速度由优化前的2.21m/s²降至0.19m/s²，隔振效率达到21.3dB，较原状态提升11.4dB，满足系统隔振率大于20dB的设计指标要求；转向盘振动水平降低至0.48m/s²，降幅达0.79m/s²，满足目标要求且主观评价可接受。同时，通过耐久性能测试验证，硬度调整后各项性能指标均符合设计要求，保证该优化方案在满足可靠性的前提下能有效解决转向盘振动问题。

6 结语

本文对乘用车在空调开启时转向盘抖动过大的问题进行了振动信号处理以及解决思路方法的探讨，通过“频域特征分析-激励源识别-传递路径优化”的系统化解决方法，快速判断压缩机振动是导致转向盘异常抖动的主要贡献激励，并从传递路径优化方向提出降低压缩机隔振橡胶硬度的方案提升系统隔振能力，最终达到降低转向盘抖动的目的。文中问题诊断与优化方法有效地解决了具体的工程问题，具有一定的参考价值和工程意义。

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