汽車方向盤怠速共振的模態優化及分析

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，從人體工程學結論與發動機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某車型方向盤怠速抖動問題，計算了方向盤優化前后的模態頻率。解決方向盤怠速抖動問題。

關鍵詞：方向盤；怠速振動；轉向系統；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汽車整體性能的評價，應用有限元方法在產品設計階段分析計算車型方向盤的模態頻率，避免方向盤的怠速共振，進而達到提高NVH（noise噪聲，vibration震動，harshness平穩舒適性）性能和減輕系統重量、及安全性的目。

1 方向盤的怠速共振及強度

汽車方向盤作為轉向系統中的操作部件，避免怠速時方向盤共振引起的方向盤抖動，是汽車方向盤設計的重要目標。方向盤震動直接影響駕駛員的心情，進而會危及駕駛安全，人體工程學理論認為人體主要部位的共振頻率為：頭部為8～12Hz，眼球為2～3Hz，內臟為4～6Hz，肢體為10～12Hz；因此，低頻共振很容易使乘員產生疲勞，影響乘車與駕駛安全。怠速振動主要是由發動機怠速工況下的二階往復慣性力激勵產生，其頻率與車輛搭載的發動機汽缸數和怠速轉速有關。四缸發動機的激振頻率一般為20～35Hz，六缸一般為30～37.5Hz。上述數據說明，為避免方向盤的怠速共振，轉向系統中方向盤的上下、左右振型的振動頻率最好高于發動機的激振頻率。

2 方向盤模態頻率的主要影響因素

汽車車身抖動都會傳遞給方向盤，運動部件及路面的不平衡都是引起車身抖動的激勵源：（1）冷卻風扇的不平衡力；（2）排氣系統的激勵力；（3）發動機的不平衡力、彎矩和轉矩引起的激勵力；（4）輪胎的階次力；（5）傳動系統不平衡力等。現代汽車設計，整車設計與零部件設計是分別完成的，整車制造是依據整車性能要求選配零部件，當樣車試制出來以后，一旦發現方向盤抖動問題時，由于受到其他性能的限制，往往不會更改諸如發動機轉速、冷卻風扇的轉動頻率、排氣系統的模態頻率等，而是選擇優化方向盤的結構來克服方向盤的抖動。一般來說，影響方向盤振動的轉向系統的模態因素主要與轉向系統的慣量、剛度有關，方向盤及安全氣囊的質量越小越好，方向盤到轉向支撐梁的距離L越短越好，轉向柱上下安裝點到轉向支撐梁的距離（A+B）越大越好。

3 實例分析

3.1 問題提出：針對國內開發中后期的某車型為例，經主觀感受和試驗測試發現，方向盤在怠速時有明顯的抖動，需要對本車轉向系統的結構進行改進，以提高系統的振動模態；為有效的改善此問題，我們從產品數據庫中選取2款對標樣車方向盤進行對比模態分析，快速找出方向盤的薄弱環節，以便制定改進方案。

3.2 關鍵部位結構對比：因方向盤質量分布是影響轉向系統模態頻率的主要因素，也是設計時需要著重考慮的問題，通過測量及結構分析，結果如表1所示：

表1

3.3 模態頻率分析

模態分析可以通過有限元分析和實驗兩種手段實現，利用有限元技術可以掌握結構設計上的薄弱區域，實驗結果可以校核模態分析的正確性；本例中，對方向盤進行模態分析時，先要建立轉向系統三維UG模型，所有部位之間按實際情況進行連接，邊界條件和約束按實際情況進行模擬，導入到HYPERMESH中，劃分為2*2mm，局部加密的網格，按實際情況定義單元屬性以及連接、力和約束的施加等工作，最后導入到有限元ansys軟件中，進行模態計算，得到的三款方向盤頻率見表2所示：

表2

表2中，得到對振動影響較大的方向盤模態：垂直方向模態（上下振動），也是本款方向盤的一階約束模態27.8Hz太低，而A款和B款方向盤一階約束模態較好；橫向模態為43.5HZ，縱向模態為57.7Hz（注：在模態分析中沒有加入電器和線束重量，因此加入電器等重量，模態還會降低）。因本車與A、B兩款對標樣車發動機怠速頻率相同，且A、B兩款方向盤在發動機怠速時無抖動現象，所以提高方向盤的垂直固有頻率使其避開發動機的激勵頻率，是避免怠速抖動的有效方法，本例中可參考A款和B款方向盤結構制定改進方案。

3.4 改進方案的制定

為提高轉向系統的模態頻率、優化抗振能力，改進方案為提高方向盤的動剛度。轉向系統在動態力的作用下，動剛度越大，振動量越小；反之，動剛度越小，振動量越大。提高方向盤的動剛度主要措施有：（1）改善方向盤的靜剛度和固有頻率，從構件的截面輪廓尺寸和截面形狀，構件的壁厚以及孔的尺寸和布置來考慮，同時減輕構件質量，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，參考現有的B款方向盤制定具體改進優化方案為：（1）采用改變外緣截面尺寸的方法，在降低外圈質量的同時，提高方向盤外圈的動剛度。把外緣的圓鋼由實心改為空心鋼管，根據鋼管的壁厚和半徑，設計圓管直徑為14mm，壁厚為2mm，輪圈質量減小49%。（2）把輪輻和輪圈相連的圓角增大。

優化后，方向盤的一階固有頻率值有了很大的提高，轉向系統的振動頻率已經達到35Hz以上，避開了發動機的激振頻率，達到了設計目標的要求。在提高模態頻率的同時，優化部件的總質量還有所減小。經過試驗測試，方向盤的抖動已經在目標值范圍內，主觀感覺無明顯抖動。

4 結束語

文章以某車型的方向盤為實例，探討了提高方向盤抖動頻率從而避免怠速共振的模態優化方法，本方法能在達到目標頻率要求的前提下合理分配零件質量節約材料，有效的提高汽車NVH性能并節約開發時間和成本，使改進后的方向盤抖動達到了汽車舒適性的性能要求。

作者簡介：鄧曉紅（1974-），女，湖北省十堰市，工程師，本科，研究方向：汽車內飾件設計。