基于ANSYS汽車轉(zhuǎn)向柱的模態(tài)分析研究

王成華，孟廣耀，周忠偉，徐 建

（青島理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 青島266033）

1 引言

轉(zhuǎn)向柱作為汽車的重要配件，伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，被提出了越來越高的要求。轉(zhuǎn)向柱主要用來支承轉(zhuǎn)向盤及與轉(zhuǎn)向盤連接的轉(zhuǎn)向柱、傳動軸等，另外還具有很多的輔助功能，如：吸收沖擊能量、可伸縮及角度可調(diào)等。其良好的功能對于改善車輛舒適度有重要的作用，對于提高車輛操作的穩(wěn)定性也有至關(guān)重要的作用。通過對其進行模態(tài)分析，了解其動態(tài)性能，可以為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)等提供良好的數(shù)據(jù)參數(shù)及理論指導(dǎo)。

有限元分析方法在20世紀50年代伴隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)分析而迅速發(fā)展，隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的進步，有限元分析方法也逐步完善并日趨成熟，在現(xiàn)代制造設(shè)計過程中應(yīng)用普遍，成為解決復(fù)雜工程問題的不可或缺的有效手段，ANASYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容，作為商業(yè)化比較早的軟件，同時進入國內(nèi)時間也比較長，目前在國內(nèi)的應(yīng)用范圍及普及程度相對來說都較好。

ANASYS作為國際通用的分析軟件，提供了豐富的結(jié)構(gòu)單元、熱分析單元等，將之與模態(tài)分析相結(jié)合，是理論與實驗分析振動問題的新方法，也是近年研究的熱點，本文即采用此方法對轉(zhuǎn)向柱進行分析，這也是目前分析振動問題的新趨勢。

2 轉(zhuǎn)向柱模型的建立

2.1 幾何模型的建立

轉(zhuǎn)向柱是汽車上必不可少的組件，通過轉(zhuǎn)向柱，駕駛員把扭矩傳遞給轉(zhuǎn)向器，帶動轉(zhuǎn)向器將油泵供油輸送到轉(zhuǎn)向油缸，實現(xiàn)液壓助力轉(zhuǎn)向。同時，僅僅通過用理論來對轉(zhuǎn)向柱進行振動過程的分析是非常困難的，所以通過引入數(shù)值分析方法簡化過程。通過對轉(zhuǎn)向柱進行振動模態(tài)分析，對轉(zhuǎn)向柱振動的狀態(tài)進行了研究，從而為轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計提供重要依據(jù)。

其結(jié)構(gòu)主要包括：①下支架②管柱體③調(diào)節(jié)支架④轉(zhuǎn)向軸⑤固定座⑥護罩固定支架⑦防盜鎖箱⑧管柱加強板以及⑨軸承等，下支架、調(diào)節(jié)支架、固定座、護罩固定支架、防盜鎖箱、管柱加強板為薄壁沖壓零件，管柱體、轉(zhuǎn)向軸為薄壁管件。轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)見圖1，各材料清單見表1，材料參數(shù)見表2。

表1 轉(zhuǎn)向柱材料清單

圖1 轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)圖

表2 材料參數(shù)

2.2 有限元模型的建立

邊界條件：方向盤等量質(zhì)量塊重約2.7kg，位于轉(zhuǎn)向軸軸線上，距轉(zhuǎn)向軸P平面100mm處。

分析模型：這里分析單元采用線性殼單元是考慮到轉(zhuǎn)向柱零件為薄壁零件，各個零件對應(yīng)的實常數(shù)見表2所列。

分析過程中對一些零部件進行適當?shù)暮喕梢愿玫貙崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向柱的振動模態(tài)的分析，如忽略聯(lián)軸器部分。

管柱體與轉(zhuǎn)向軸通過兩個軸承連接，管柱體僅可繞轉(zhuǎn)向軸相對轉(zhuǎn)動，沒有其他方向自由度。在800N徑向載荷作用下，上軸承位移小于0.3mm，下軸承小于1.0mm。

2.3 轉(zhuǎn)向柱分析模型

將上下軸承均簡化為柔性聯(lián)接。利用綁定接觸簡化下支架與管柱體焊接、管柱加強板與管柱體焊接、固定座與調(diào)節(jié)支架靜摩擦連接。分析模型見圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向柱分析模型

2.4 軸承剛度對模態(tài)頻率影響分析結(jié)果

集中質(zhì)量：2.7kg。軸承剛度：上軸承，3333N/mm；下軸承，2857N/mm，如表3所示。

3 結(jié)果分析

通過詳細分析，上下軸承簡化為柔性連接時，在不同的剛度條件下，轉(zhuǎn)向柱縱向一階模態(tài)頻率在43.774～48.937 Hz之間。軸承徑向剛度為上軸承3333N/mm，下軸承2857N/mm時，相應(yīng)的縱向一階模態(tài)頻率為43.774 Hz。當實際軸承剛度為承諾值的2倍時，頻率顯著增加，可達46.655 Hz；當軸承剛度超過4倍時，對模態(tài)頻率影響很小。實際上，軸承剛度不可能達到6倍，也就是說，根據(jù)本分析，轉(zhuǎn)向柱的模態(tài)頻率不可能超過48.937 Hz。圖3所示為6倍軸承剛度時分析圖。

表3 剛度對模態(tài)影響

分析沒有考慮固定座和調(diào)節(jié)支架的靜摩擦連接剛度以及轉(zhuǎn)向柱安裝支撐剛度的影響，對轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)幾何形狀也做了適當簡化。因此，分析結(jié)果與實物樣件試驗結(jié)果可能會有一定的差異，但是通過實際樣件試驗可以檢驗分析模型建立是否正確，逐步建立轉(zhuǎn)向柱模態(tài)分析模型的簡化標準，并用于優(yōu)化或改進轉(zhuǎn)向柱設(shè)計等。

圖3 6倍剛度分析

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