汽車方向盤怠速共振的模態(tài)優(yōu)化及分析

鄧曉紅　付勇智

摘 要：文章分析了影響方向盤怠速共振的因素，從人體工程學(xué)結(jié)論與發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率得出了方向盤最低固有頻率，利用有限元方法針對(duì)某車型方向盤怠速抖動(dòng)問題，計(jì)算了方向盤優(yōu)化前后的模態(tài)頻率。解決方向盤怠速抖動(dòng)問題。

關(guān)鍵詞：方向盤；怠速振動(dòng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；人體工程方向盤作為用戶與汽車直接接觸的部件，其在安全性、舒適性等方面影響著用戶對(duì)汽車整體性能的評(píng)價(jià)，應(yīng)用有限元方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段分析計(jì)算車型方向盤的模態(tài)頻率，避免方向盤的怠速共振，進(jìn)而達(dá)到提高NVH（noise噪聲，vibration震動(dòng)，harshness平穩(wěn)舒適性）性能和減輕系統(tǒng)重量、及安全性的目。

1 方向盤的怠速共振及強(qiáng)度

汽車方向盤作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的操作部件，避免怠速時(shí)方向盤共振引起的方向盤抖動(dòng)，是汽車方向盤設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。方向盤震動(dòng)直接影響駕駛員的心情，進(jìn)而會(huì)危及駕駛安全，人體工程學(xué)理論認(rèn)為人體主要部位的共振頻率為：頭部為8～12Hz，眼球?yàn)?～3Hz，內(nèi)臟為4～6Hz，肢體為10～12Hz；因此，低頻共振很容易使乘員產(chǎn)生疲勞，影響乘車與駕駛安全。怠速振動(dòng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的二階往復(fù)慣性力激勵(lì)產(chǎn)生，其頻率與車輛搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸數(shù)和怠速轉(zhuǎn)速有關(guān)。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率一般為20～35Hz，六缸一般為30～37.5Hz。上述數(shù)據(jù)說明，為避免方向盤的怠速共振，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤的上下、左右振型的振動(dòng)頻率最好高于發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率。

2 方向盤模態(tài)頻率的主要影響因素

汽車車身抖動(dòng)都會(huì)傳遞給方向盤，運(yùn)動(dòng)部件及路面的不平衡都是引起車身抖動(dòng)的激勵(lì)源：（1）冷卻風(fēng)扇的不平衡力；（2）排氣系統(tǒng)的激勵(lì)力；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡力、彎矩和轉(zhuǎn)矩引起的激勵(lì)力；（4）輪胎的階次力；（5）傳動(dòng)系統(tǒng)不平衡力等。現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)，整車設(shè)計(jì)與零部件設(shè)計(jì)是分別完成的，整車制造是依據(jù)整車性能要求選配零部件，當(dāng)樣車試制出來以后，一旦發(fā)現(xiàn)方向盤抖動(dòng)問題時(shí)，由于受到其他性能的限制，往往不會(huì)更改諸如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率等，而是選擇優(yōu)化方向盤的結(jié)構(gòu)來克服方向盤的抖動(dòng)。一般來說，影響方向盤振動(dòng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)因素主要與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣量、剛度有關(guān)，方向盤及安全氣囊的質(zhì)量越小越好，方向盤到轉(zhuǎn)向支撐梁的距離L越短越好，轉(zhuǎn)向柱上下安裝點(diǎn)到轉(zhuǎn)向支撐梁的距離（A+B）越大越好。

3 實(shí)例分析

3.1 問題提出：針對(duì)國內(nèi)開發(fā)中后期的某車型為例，經(jīng)主觀感受和試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，方向盤在怠速時(shí)有明顯的抖動(dòng)，需要對(duì)本車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)；為有效的改善此問題，我們從產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中選取2款對(duì)標(biāo)樣車方向盤進(jìn)行對(duì)比模態(tài)分析，快速找出方向盤的薄弱環(huán)節(jié)，以便制定改進(jìn)方案。

3.2 關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)對(duì)比：因方向盤質(zhì)量分布是影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率的主要因素，也是設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問題，通過測(cè)量及結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如表1所示：

表1

3.3 模態(tài)頻率分析

模態(tài)分析可以通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)兩種手段實(shí)現(xiàn)，利用有限元技術(shù)可以掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的薄弱區(qū)域，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以校核模態(tài)分析的正確性；本例中，對(duì)方向盤進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，先要建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維UG模型，所有部位之間按實(shí)際情況進(jìn)行連接，邊界條件和約束按實(shí)際情況進(jìn)行模擬，導(dǎo)入到HYPERMESH中，劃分為2*2mm，局部加密的網(wǎng)格，按實(shí)際情況定義單元屬性以及連接、力和約束的施加等工作，最后導(dǎo)入到有限元ansys軟件中，進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到的三款方向盤頻率見表2所示：

表2

表2中，得到對(duì)振動(dòng)影響較大的方向盤模態(tài)：垂直方向模態(tài)（上下振動(dòng)），也是本款方向盤的一階約束模態(tài)27.8Hz太低，而A款和B款方向盤一階約束模態(tài)較好；橫向模態(tài)為43.5HZ，縱向模態(tài)為57.7Hz（注：在模態(tài)分析中沒有加入電器和線束重量，因此加入電器等重量，模態(tài)還會(huì)降低）。因本車與A、B兩款對(duì)標(biāo)樣車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率相同，且A、B兩款方向盤在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)無抖動(dòng)現(xiàn)象，所以提高方向盤的垂直固有頻率使其避開發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，是避免怠速抖動(dòng)的有效方法，本例中可參考A款和B款方向盤結(jié)構(gòu)制定改進(jìn)方案。

3.4 改進(jìn)方案的制定

為提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)頻率、優(yōu)化抗振能力，改進(jìn)方案為提高方向盤的動(dòng)剛度。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)力的作用下，動(dòng)剛度越大，振動(dòng)量越小；反之，動(dòng)剛度越小，振動(dòng)量越大。提高方向盤的動(dòng)剛度主要措施有：（1）改善方向盤的靜剛度和固有頻率，從構(gòu)件的截面輪廓尺寸和截面形狀，構(gòu)件的壁厚以及孔的尺寸和布置來考慮，同時(shí)減輕構(gòu)件質(zhì)量，提高其固有頻率，避開共振頻率；（2）改善方向盤的阻尼特性。

本例中，參考現(xiàn)有的B款方向盤制定具體改進(jìn)優(yōu)化方案為：（1）采用改變外緣截面尺寸的方法，在降低外圈質(zhì)量的同時(shí)，提高方向盤外圈的動(dòng)剛度。把外緣的圓鋼由實(shí)心改為空心鋼管，根據(jù)鋼管的壁厚和半徑，設(shè)計(jì)圓管直徑為14mm，壁厚為2mm，輪圈質(zhì)量減小49%。（2）把輪輻和輪圈相連的圓角增大。

優(yōu)化后，方向盤的一階固有頻率值有了很大的提高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)頻率已經(jīng)達(dá)到35Hz以上，避開了發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。在提高模態(tài)頻率的同時(shí)，優(yōu)化部件的總質(zhì)量還有所減小。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，方向盤的抖動(dòng)已經(jīng)在目標(biāo)值范圍內(nèi)，主觀感覺無明顯抖動(dòng)。

4 結(jié)束語

文章以某車型的方向盤為實(shí)例，探討了提高方向盤抖動(dòng)頻率從而避免怠速共振的模態(tài)優(yōu)化方法，本方法能在達(dá)到目標(biāo)頻率要求的前提下合理分配零件質(zhì)量節(jié)約材料，有效的提高汽車NVH性能并節(jié)約開發(fā)時(shí)間和成本，使改進(jìn)后的方向盤抖動(dòng)達(dá)到了汽車舒適性的性能要求。

作者簡(jiǎn)介：鄧曉紅（1974-），女，湖北省十堰市，工程師，本科，研究方向：汽車內(nèi)飾件設(shè)計(jì)。