基于ANSYS汽車轉向柱的模態(tài)分析研究

王成華，孟廣耀，周忠偉，徐 建

（青島理工大學 機械工程學院，山東 青島266033）

1 引言

轉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。轉向柱主要用來支承轉向盤及與轉向盤連接的轉向柱、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)化其結構等提供良好的數(shù)據(jù)參數(shù)及理論指導。

有限元分析方法在20世紀50年代伴隨著結構力學分析而迅速發(fā)展，隨著現(xiàn)代計算機技術的進步，有限元分析方法也逐步完善并日趨成熟，在現(xiàn)代制造設計過程中應用普遍，成為解決復雜工程問題的不可或缺的有效手段，ANASYS文件在其所有的產品系列和工作平臺上均兼容，作為商業(yè)化比較早的軟件，同時進入國內時間也比較長，目前在國內的應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，提供了豐富的結構單元、熱分析單元等，將之與模態(tài)分析相結合，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向柱進行分析，這也是目前分析振動問題的新趨勢。

2 轉向柱模型的建立

2.1 幾何模型的建立

轉向柱是汽車上必不可少的組件，通過轉向柱，駕駛員把扭矩傳遞給轉向器，帶動轉向器將油泵供油輸送到轉向油缸，實現(xiàn)液壓助力轉向。同時，僅僅通過用理論來對轉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。通過對轉向柱進行振動模態(tài)分析，對轉向柱振動的狀態(tài)進行了研究，從而為轉向柱的設計提供重要依據(jù)。

其結構主要包括：①下支架②管柱體③調節(jié)支架④轉向軸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、轉向軸為薄壁管件。轉向柱結構見圖1，各材料清單見表1，材料參數(shù)見表2。

表1 轉向柱材料清單

圖1 轉向柱結構圖

表2 材料參數(shù)

2.2 有限元模型的建立

邊界條件：方向盤等量質量塊重約2.7kg，位于轉向軸軸線上，距轉向軸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向柱零件為薄壁零件，各個零件對應的實常數(shù)見表2所列。

分析過程中對一些零部件進行適當?shù)暮喕?，可以更好地實現(xiàn)轉向柱的振動模態(tài)的分析，如忽略聯(lián)軸器部分。

管柱體與轉向軸通過兩個軸承連接，管柱體僅可繞轉向軸相對轉動，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、固定座與調節(jié)支架靜摩擦連接。分析模型見圖2所示。

圖2 轉向柱分析模型

2.4 軸承剛度對模態(tài)頻率影響分析結果

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

3 結果分析

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節(jié)支架的靜摩擦連接剛度以及轉向柱安裝支撐剛度的影響，對轉向柱結構幾何形狀也做了適當簡化。因此，分析結果與實物樣件試驗結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，逐步建立轉向柱模態(tài)分析模型的簡化標準，并用于優(yōu)化或改進轉向柱設計等。

圖3 6倍剛度分析

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