汽車轉向系統動態特性分析

王麗娜，王淑芬，李玉光，梁長飛

（大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622）

0 前言

汽車轉向系統是汽車上用來改變或恢復行駛方向的專設機構，其功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向[1]。它承受來自路面的沖擊，同時傳遞來自方向盤的轉向力和力矩，對汽車的行駛安全性、舒適性和操縱穩定性至關重要。通過對其進行模態分析，了解其頻率和振型，可以避免共振現象的產生，也可以為其結構的優化設計提供數據參考及理論指導[2]。

ANSYS 軟件是融結構、流體、電磁場、聲場和耦合場分析與一體的大型通用有限元分析軟件。它包含了預處理、解題程序以及后處理和優化等模塊。它將有限元分析技術、計算機圖形技術和優化設計技術相結合，已成為解決現代工程學問題必不可少的有力工具[3]。

1 汽車轉向系統有限元模型的建立

1.1 汽車齒輪齒條式轉向系統的組成

齒輪齒條式轉向系統主要是由方向盤、轉向柱、萬向節、傳動軸、齒輪、齒條、拉桿和轉向節等組成。轉向器一般固定在汽車車架或車身上。如圖1 所示。

圖1 轉向系統實體模型

1.2 汽車轉向系統的簡化

建立模型過程中，通常以方便有限元分析又保持其力學特性為基本尺度，對模型的結構進行簡化，簡化過程應滿足以下要求[4]：

（1）足夠的準確性，模型必須要能反映工程中需要的主要力學特性、轉向系統構架的受力狀況、形狀和結構的一致性、支撐情況和邊界約束條件的一致性。

（2）良好的經濟性。一般來說，較復雜的模型會有較好的準確性，但復雜模型會花費更多的時間、人力、物力進行數據處理，從而使計算費用大大增加。

選用三維建模功能強大的PROE5.0 軟件作為幾何模型建模工具。遵循簡化要求，建立轉向系統的三維模型，在建模過程中去掉一些復雜的的導角、圓角、孔和一些對模型力學性能影響不大的零部件。其簡化后的模型如圖2 所示。

圖2 轉向系統模型

1.3 汽車轉向系統有限元模型的建立

利用ANSYS 軟件與PROE 軟件的數據接口，將簡化三維模型導入到ANSYS 中，如圖3 所示。

轉向系統簡化模型主要有兩種材料組成，材料特性如表1 所示，網格劃分采用自由網格劃分方法，采用solid 45 單元類型[5]。

圖3 導入ANSYS 后的轉向系統模型

表1 各部件材料特性

2 動態分析

在對轉向系統進行模態分析時，根據轉向系統的工作原理，對轉向節的上下主銷孔全約束，限制齒條X、Y 兩個方向的位移。計算頻率范圍為0~10000 Hz。系統的模態提取數和擴展模態的數目設置為3。由于對運動起主導作用的只是前幾階模態，且階數越高，誤差越大[6]。所以在分析時，只選取系統結果的前三階固有頻率及其對應的振型。轉向系統的模態振型如圖4~6 所示，振動頻率如表2 所示。

圖4 系統的一階模態振型

圖5 系統的二階模態

圖6 系統的三階模態振型

表2 模態頻率表

從振型圖和表2 中可以看出，轉向系統在第一階振型中振動幅度較小，只有部小幅度的振動，稱之為局部模態，其頻率為25.52 Hz。在第二階振型中，方向盤及傳動軸發生了前后或左右的振動，其頻率為31.34 Hz。在第三階振型中，方向盤及傳動軸發生扭轉，其頻率為40.92 Hz。

路面激勵、車輪不平衡激勵和發動機激勵是汽車激勵的主要形式。當汽車在正常路面上行駛時，路面對汽車的垂直路面激勵頻率，一般為11 Hz，在較好的路面上低于3 Hz 以下，在不好的起伏路面可能會達到20 Hz[6]，對照表2 可知該轉向系統一般不會與路面發生共振；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11 Hz，對照表2 可知該轉向系統一般也不會與車輪發生共振；汽車在怠速、正常行駛和加速等不同工況下的發動機轉速不同，發動機的激振頻率也不一樣。怠速工況下發動機的激振頻率為20 Hz 左右，正常行駛工況下發動機的激振頻率為100 Hz 左右[7]，對照表2 可知該轉向系統的一階振動頻率與發動機在怠速工況下的激振頻率相接近，可能會對轉向系統的結構造成破壞，這種情況可以通過調整轉向系統的支架寬度或對轉向系統進行結構優化設計的方法來增加該轉向系統的一階振動頻率。

3 結論

（1）通過PROE5.0 和ANSYS 軟件相結合，建立了汽車轉向系統的三維模型和有限元模型。

（2）通過有限元法對轉向系統進行了模態分析，提取它們的前三階固有頻率和振型。結果發現，該轉向系統的前三階固有頻率的范圍為25.52~40.92 Hz。第一階陣型的振動幅度較小，第二階振型為方向盤和轉向軸左右或前后抖動，第三階固有振型為方向盤和轉向軸扭轉變形。

（3）研究結果顯示該轉向系統的一階固有頻率過低與發動機怠速下的激振頻率相近，使轉向系統在怠速下容易發生轉向系統與發動機的共振。

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[4] 張平, 雷雨成, 高翔, 等. 轎車車身模態分析及結構優化設計[J]. 汽車技術, 2006(4): 5-9.

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[7] 李學修. 輕卡車身模態分析及其結構優化[D]. 上海: 上海交通大學碩士學位論文, 2007.