某型工程車方向盤抖動分析與優化方法研究

李小軍，陽榮慧，李建華，何寄平

(福田歐輝環境裝備事業部，湖南長沙 410029)

某型工程車方向盤抖動分析與優化方法研究

李小軍，陽榮慧，李建華，何寄平

(福田歐輝環境裝備事業部，湖南長沙 410029)

應用NVH有限元分析手段對某型工程車轉向機構進行模態和頻響分析,找出了它在怠速工況下發生抖動的根本原因，并且提出了優化改進方法。通過對比分析得出,此方法達到了有效降低和減少抖動的目的,表明此方法是一種有效的解決此類問題的方法。

工程車；方向盤抖動；NVH；模態分析；頻響分析

0 引言

由于能源與環境問題,汽車設計在追求輕量化、舒適性和低油耗的同時,振動和抖動問題一直是難點,很難解決。人體容易感受的都是低頻振動 ，所以低頻振動更容易引起駕駛員和乘客的疲勞，影響汽車的行駛安全。文中所研究的一款工程車在怠速工況下方向盤抖動非常厲害，嚴重影響了駕駛員的舒適性。抖動屬于低頻振動，振動頻率范圍為5～30 Hz，但是轉向機構的振動頻率在40 Hz左右[1]。為了探究產生振動的原因以及解決的方法，作者通過引入NVH分析方法來研究和解決此問題，找出引起振動的根本原因，通過優化結構找到有效的解決方法。

1 NVH模態頻響分析

1.1 分析模型建立

由于整車的NVH分析太過復雜和繁瑣，因此文中只提取方向盤轉向機構及其固定裝置作為分析對象建立分析模型，根據其結構特點，摘取了車身相關部件，并作簡化，轉向機構及其固定裝置模型如圖1所示。

轉向機構的NVH分析選定為兩個方面：方向盤轉向機構總成約束模態計算；模態頻響分析。模態分析中在車身固定件周圍施加固定約束。在頻響分析中，在方向盤的固定大支架中心處施加頻響載荷。

圖1 轉向機構模型圖

1.2 分析結果與評價

對其進行模態分析，模態分析結果如表1所示，第1和第2階模態頻率值相差2.4 Hz，容易引起耦合共振。前3階模態頻率在40 Hz以下，在低頻振動下容易引起共振，增加振動。

表1 模態分析結果表

在大支架中心處分別施加X、Y、Z3個方向的頻響載荷，頻率范圍為0～40 Hz，大小為1。其響應點選取方向盤上的4個點，如圖2所示。

圖2 方向盤響應點選取圖

其頻響分析結果如圖3所示。

圖3 頻響分析結果圖

從結果看出：振動明顯區域在30～40 Hz區間，前兩個波峰有耦合共振的趨勢;在30 Hz以下，振幅很小，沒有波峰出現?？梢娹D向系統模態頻率低,前3階均在30～40 Hz區間,容易在40 Hz左右的振動激勵作用下發生明顯的振動,是出現抖動非常嚴重的根本原因。

1.3 優化改進方案

根據發生抖動的根本原因,提出通過提高方向盤模態頻率、遠離怠速激勵頻率區域、減少共振的方法來減少方向盤的抖動問題。具體方案是改變方向盤骨架材料，由Q235改為AM50A鋁鎂合金材料。Q235材料的密度為7.83×10-9t/mm3，而鋁鎂合金只有1.8×10-9t/mm3，只為原來的1/4左右。這樣就可以大大降低方向盤骨架的質量，從而達到提高其模態頻率的目的。

2 優化效果驗證分析

對優化后的模型進行模態和頻響分析，并且與原始結果進行對比。模態結果對比如表2所示，頻響分析結果與對比如圖4—6所示。

表2 模態結果對比表

圖4 頻響分析X方向位移對比圖

圖5 頻響分析Y方向位移對比圖

從結果與對比中可以得出如下結論：

(1)改為AM50A材料后，一階頻率達到46.5 Hz，比原始模型頻率值31.5 Hz大15 Hz，有效提升了原始模型的模態頻率值，避開了30～40 Hz的振源頻率。而且前幾階模態頻率值間隔分明，可以避免耦合共振。

(2)優化模型的第一個峰值頻率在50 Hz以上，遠離原始模型的峰值頻率30～40 Hz區域。在頻率40 Hz以下，基本無振動峰值，表明有效抑制了振動位移,有效減少了方向盤的振動和抖動。而原始模型在30～40 Hz左右，振動峰值非常明顯。

3 結論

通過引入NVH仿真分析方法，進行模態和頻響分析等，找出了引起方向盤抖動的根本原因是模態頻率低，前3階模態均在40 Hz以下，容易在30～40 Hz的振源作用下引起共振,出現方向盤抖動厲害的問題。根據結果和數據,提出改變方向盤骨架材料，大大降低骨架質量,提高轉向系統的模態頻率，使其遠離振源激勵頻率,達到降低抖動的目的。通過結果對比分析，此方法非常有效，達到了有效降低和減少抖動的目的，表明此方法是一種解決此類問題的可行方法。

【1】王志亮，劉波，李晶華,等.汽車抖動性產生機理與分析方法研究[J].噪聲與振動控制,2008,28(4):87-89. WANG Z L,LIU B,LI J H,et al.Automobile Shake Mechanism and Analysis Method Research[J].Noise and Vibration Control,2008,28(4):87-89.

Analysis and Optimization for Steering Wheel Vibration of a Certain Type of Truck

LI Xiaojun, YANG Ronghui, LI Jianhua, HE Jiping

(Foton AUV Environmental Equipment Division,Changsha Hunan 410029,China)

NVH finite element analysis method was used to make modal analysis and frequency response analysis for steering mechanism of a certain type of truck. The root cause of jitter in idle condition was found, and optimization and improvement method was proposed. Through comparative analysis, it is concluded that by using the method, the jitter can be effectively reduced. This method is an effective way to solve same problem.

Truck;Wheel jitter;NVH;Model analysis;Frequency response analysis

2016-08-31

李小軍，男，大學本科，研究方向為汽車轉向系統的匹配和振動。E-mail：lxj31310@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.011

U481.6

A

1674-1986(2016)12-047-04