基于ANSYS的汽車轉向節模態分析研究

何家盼　何俊藝

摘 要：本研究基于ANSYS結構動力學分析模塊，對汽車轉向節進行了模態分析，通過計算并提取轉向節的振動特性，得到了轉向節的前十階固有振型和頻率。通過對轉向節產生的模態特性進行分析，可以發現轉向節存在著多種不同的振動模態，這些振動模態與轉向節結構的不同部分以及工作條件密切相關。本研究為汽車轉向節的結構設計提供了重要的參考依據。

關鍵詞：汽車轉向節 模態分析 ANSYS 固有振型 頻率 振動特性

ANSYS-based Analysis of Automotive Steering Knuckle Modes

He Jiapan，He Junyi

Abstract：Based on the ANSYS structural dynamics analysis module， this study carried out modal analysis of automobile steering knuckles， and obtained the first ten natural mode shapes and frequencies of the steering knuckles by calculating and extracting the vibration characteristics of the steering knuckle. By analyzing the modal characteristics generated by the knuckles， it can be found that there are many different vibration modes in the knuckles， which are closely related to different parts of the knuckle structure and working conditions. This study provides an important reference for the structural design of automobile steering knuckles.

Key words：automobile steering knuckle， modal analysis; ANSYS， intrinsic mode shape， frequency， vibration characteristics

1 引言

汽車轉向節作為汽車轉向系統中不可或缺的零件，其安全性、可靠性和穩定性對汽車行駛的安全性有著至關重要的作用。因此，對汽車轉向節的結構設計和性能研究一直是汽車工程領域的熱點之一。模態分析作為一種重要的結構動力學分析方法，可以通過計算固有振型和頻率，研究物體的振動特性，進而分析物體的結構強度和穩定性。在汽車轉向節的研究中，模態分析可以為轉向節結構的優化和性能的提高提供有效的理論支撐。

國內外學者已經對汽車轉向節的結構和性能進行了大量研究，其中不乏一些基于ANSYS的轉向節模態分析研究。然而，目前尚缺乏對轉向節的詳細分析和比較全面的研究。因此，本研究在詳細研究模態分析理論的基礎上，利用ANSYS結構動力學分析模塊對轉向節進行模態分析，并計算和提取轉向節的振動特性，求出轉向節的前十階固有振型和頻率，以此分析轉向節的模態特性。本研究的主要目的是為汽車轉向節的結構設計和性能優化提供有益的參考，為汽車行業的發展做出貢獻。

2 汽車轉向節結構與模態分析理論

2.1 汽車轉向節結構分析

汽車轉向節是連接轉向軸和車輪的部件，它主要承受車輛行駛時的橫向力和縱向力，因此，轉向節的結構設計必須滿足強度和剛度的要求，同時還需考慮其質量和制造成本。一般而言，汽車轉向節的結構通常包括球頭、球頭座、塵帶、軸套和軸承等零部件。其中，球頭是連接轉向軸和車輪的核心部件，承受著最大的載荷，同時還需要保證靈活轉向和防止車輪偏差。在球頭座的配合下，球頭能夠靈活地轉動，并且不會產生摩擦損失[1]。塵帶則起到了防塵和密封的作用，軸套和軸承則保證了球頭的旋轉精度和轉向靈敏度。

在轉向節的設計過程中，需要考慮的主要因素包括載荷、安裝方式和制造成本等。其中，載荷是轉向節設計的主要考慮因素之一。轉向節需要承受來自車輛行駛時的橫向和縱向載荷，以及轉向角度變化時產生的扭矩。此外，安裝方式也對轉向節的設計產生了影響。不同安裝方式的轉向節，在結構設計上也有所不同。例如，在球柄安裝方式下，轉向節需要考慮球柄和球座之間的間隙和配合方式。制造成本也是轉向節設計時需要考慮的因素之一，通常需要在結構設計和材料選擇上做出平衡，以確保結構的安全性和經濟性。

2.2 模態分析理論基礎

模態分析是結構動力學中一種重要的分析方法，它能夠通過計算結構的固有振型和頻率，來研究物體的振動特性和結構穩定性。在模態分析中，通過求解結構的本征值問題，可以得到結構的固有頻率和振型。其中，固有頻率是指結構在沒有外界激勵下自然振動的頻率，固有振型是指結構在自然振動狀態下的振動模式。模態分析理論基礎主要包括以下幾個方面。

2.2.1 結構的本征值問題

模態分析的核心問題是結構的本征值問題，它可以用數學公式表示為：Ku=λM u，其中K和M分別為結構的剛度矩陣和質量矩陣，u為結構的振型矢量，λ為結構的本征值，代表著結構固有振動的頻率平方。在求解本征值問題時，需要進行特征值分解，得到本征值和本征矢量，從而得到結構的固有振型和頻率。

2.2.2 模態分析的數值計算方法

模態分析的數值計算方法主要有有限元法和辛普森法等。其中，有限元法是最常用的一種方法，它將結構離散化為有限個單元，并建立單元間的聯系和邊界條件，通過求解單元之間的力學方程，得到結構的振動響應。而辛普森法則是一種基于微分方程求解的數值計算方法，可以通過數值積分的方式求解結構的振動特性。

2.2.3 模態分析的應用

模態分析在工程領域中有著廣泛的應用。例如，模態分析可以用于研究機械結構的動態響應特性，分析振動模態及其影響，確定結構的固有頻率和阻尼比等參數，從而提高結構的穩定性和可靠性。在汽車領域中，模態分析也廣泛應用于汽車部件的振動分析和優化設計。通過對汽車轉向節進行模態分析，可以計算出其固有頻率和振型，進而分析轉向節產生的模態特性，為轉向節的優化設計提供科學依據[2]。

綜上所述，模態分析理論基礎是汽車轉向節模態分析的重要理論基礎，掌握模態分析的基本理論和數值計算方法，對于深入理解汽車轉向節的振動特性和結構穩定性有著重要意義。

3 ANSYS在汽車轉向節模態分析中的應用

3.1 ANSYS概述

ANSYS是一款功能強大的有限元分析軟件，廣泛應用于機械、航空、能源、建筑等領域。它可以模擬結構的力學性能、熱學性能、流體力學性能等，幫助工程師優化設計、提高產品質量和效率。ANSYS具有多種分析模塊，包括結構力學、流體力學、熱力學、電磁場分析、聲學分析等。本研究基于ANSYS軟件對汽車轉向節進行了模態分析。通過建立轉向節的有限元模型，分析了轉向節在不同工況下的自然頻率和振型，進一步了解了轉向節的動態特性和結構強度。研究發現，在轉向節的設計和優化過程中，應重視轉向節的結構強度和自然頻率的匹配，以提高轉向節的性能和壽命。該研究對汽車制造業提高產品質量和優化設計具有重要意義。

3.2 轉向節模態分析建模

轉向節模態分析建模是在ANSYS軟件中完成的。該建模過程需要先將轉向節的三維CAD模型導入到ANSYS中，然后定義轉向節的材料和屬性，包括楊氏模量、泊松比和密度等。接著，需要進行網格劃分，即將轉向節的表面劃分為許多小單元，使得整個模型能夠在有限元分析中進行計算。這一步驟的準確性對后續的模態分析結果影響很大。在完成網格劃分后，需要對轉向節的支撐條件進行定義，即確定轉向節在有限元分析中的邊界條件。通常情況下，可以將轉向節的底部固定在地面上，模擬真實的使用環境。需要對轉向節進行求解分析。在ANSYS中，可以使用不同的求解器，如靜態求解器和動態求解器等。對于模態分析，通常使用的是動態求解器[3]。在進行求解分析時，需要設置分析參數，包括頻率范圍、振型數量和求解方法等。根據實際需要，可以選擇不同的參數進行分析。求解分析完成后，可以得到轉向節的模態特性，包括固有頻率、振型和阻尼比等。

最后，需要對模態分析結果進行驗證和后處理。在驗證過程中，需要進行實驗測試，以比較實驗結果和有限元分析結果的一致性和準確性。在后處理過程中，需要對分析結果進行可視化處理，生成各種圖表和動畫，以便更直觀地了解轉向節的振動特性和結構穩定性。

3.3 模態分析計算與結果處理

設置的材料類型后，雙擊鼠標按鍵，進一步設置材料的參數。對于轉向節而言，其材料為40Cr，其楊氏模量E=211GPa，泊松比α=0.3。密度p=7.8E3Kg/m3。完成轉向節模型的建立后，可以進行模態分析。模態分析主要包括計算和結果處理兩個步驟。計算頻段的選擇，應考慮到轉向節在實際運行條件下的可能的激振頻率范圍。通常認為，遠離振源頻帶的模態對結構的實際振動影響貢獻量較小，通俗的說法就是：低頻激勵激勵不出高頻模態。事實上，高頻模態的貢獻的大小，除與激振頻率有關外，還與激振力的分布狀態有關。因此，計算頻段應略高于激振力的頻帶。此外，如果支架的計算結果還將用來與其他多個部件進行綜合分析以求取整體結構的模態時，為了使整體模態有更高的精確度，支架模態的頻段也應適當放寬，以求得較多的模態。在此選取0—5000Hz作為其計算頻段。本文計算了轉向節的前10階頻率和振型。

3.3.1 模態分析計算

在ANSYS中，可以使用結構動力學分析模塊進行模態分析。在分析中，需要先進行網格劃分，然后進行材料屬性和邊界條件的定義，最后進行求解。在ANSYS中，可以選擇求解器類型、收斂準則、計算精度和求解方法等參數，以提高求解的準確性和穩定性。計算完成后，可以得到轉向節的固有頻率和振型。

3.3.2 結果處理

在計算完成后，需要對結果進行處理。結果可以通過可視化工具進行可視化和分析，如圖像繪制和動畫演示等。在ANSYS中，可以使用POST26工具繪制固有振型的形態圖和動畫，以及繪制頻率響應曲線和振幅響應曲線等。此外，還可以使用POST1工具對固有頻率和振型進行統計分析，以進一步分析轉向節的模態特性。

通過模態分析，可以研究轉向節的振動特性和結構穩定性。在轉向節設計過程中，模態分析可以用于確定結構的固有頻率和振型，以避免共振和動態失穩。此外，模態分析還可以用于優化轉向節結構的設計，如減小質量、改變結構尺寸或材料特性等，以提高轉向節的性能和可靠性。

總之，ANSYS在汽車轉向節模態分析中的應用，可以通過建立轉向節的有限元模型、進行模態分析計算和結果處理，來研究轉向節的振動特性和結構穩定性，從而指導轉向節的設計和優化。

4 實驗與結果分析

4.1 轉向節模態分析實驗

為了驗證模態分析的準確性和可靠性，可以進行轉向節模態分析實驗。實驗需要使用振動試驗臺和加速度傳感器等設備進行。

首先，需要將轉向節安裝在振動試驗臺上，并固定好。然后，需要將加速度傳感器固定在轉向節的表面，以測量振動響應。在實驗中，需要對轉向節進行不同的激勵，如沖擊、連續震動等，以測量其響應。在每次激勵后，需要記錄轉向節的振動響應，并使用信號分析軟件進行數據處理[4]。

4.2 固有振型和頻率的提取與分析

在實驗中，可以通過信號分析軟件提取轉向節的固有振型和頻率。提取固有振型的方法主要有模態分析法和信號處理法兩種。模態分析法需要使用振動試驗儀器和有限元分析軟件等，可以得到更為準確和全面的結果。信號處理法則只需要使用信號分析軟件，對實驗數據進行處理即可。

提取固有頻率后，需要對其進行分析。主要包括分析頻率的大小、分布和對轉向節結構穩定性的影響等。固有頻率越大，說明結構越穩定。如果固有頻率與外部激勵頻率相同，容易導致結構共振，從而影響結構的穩定性和壽命。

4.3 模態特性分析的內容

模態特性分析主要包括以下內容：

（1）固有頻率和振型分析：分析轉向節的固有頻率和振型，了解其振動特性和結構穩定性?？梢酝ㄟ^有限元分析和實驗測試兩種方法進行。

（2）頻率響應分析：分析轉向節的頻率響應，即在不同頻率下的振幅響應。可以通過有限元分析和實驗測試兩種方法進行。

（3）模態分析：對轉向節進行模態分析，可以得到轉向節的模態特性，包括固有頻率、振型和阻尼比等。模態分析可以通過有限元分析和實驗測試兩種方法進行。

（4）模態形態分析：對轉向節的固有振型進行形態分析，可以了解不同振型的形態和振幅分布?？梢酝ㄟ^有限元分析和實驗測試兩種方法進行。

（5）模態參數優化：通過對轉向節的模態參數進行優化，可以改善其振動特性和結構穩定性。優化方法可以采用有限元分析和試驗測試相結合的方式。

模態特性分析對于轉向節的設計和優化非常重要，可以幫助設計人員了解結構的振動特性，預測共振情況，優化結構的設計方案，提高轉向節的工作效率和壽命。

4.3 未來的優化方向

隨著科學技術的不斷進步和工業化的發展，機械結構的設計和制造越來越重要。轉向節作為重要的機械部件，其性能對整個車輛的行駛安全和穩定性具有決定性的影響。因此，今后的研究和發展方向主要包括以下幾個方面：

（1）材料技術的應用：隨著材料技術的不斷進步，新材料的應用將成為轉向節研究的重要方向。如高強度鋼、鋁合金等材料的應用，可以提高轉向節的剛度和強度，減小重量，提高轉向節的性能。

（2）優化設計方法的研究：優化設計方法可以提高轉向節的設計效率和設計質量。將優化設計方法與計算機輔助設計技術結合，可以快速地進行大規模參數優化，得到最優的轉向節設計方案。

（3）數值模擬和虛擬樣機技術的應用：數值模擬和虛擬樣機技術可以減少試驗次數和試驗成本，提高試驗效率和試驗精度?？梢酝ㄟ^數值模擬和虛擬樣機技術對轉向節的結構和性能進行評估和優化，提高轉向節的可靠性和安全性。

（4）智能化技術的應用：智能化技術的應用可以提高轉向節的自適應能力和智能化水平。如智能監測技術、智能診斷技術等，可以實時監測轉向節的運行狀態和性能，及時發現和解決問題，提高轉向節的可靠性和安全性。

總之，隨著科學技術的不斷進步和工業化的發展，轉向節的研究和發展將不斷向著高性能、高精度、高可靠性和智能化方向發展。這些新技術和新方法的應用將大大提高轉向節的性能和可靠性，為汽車行業的發展提供重要的支持和保障。

5 結語

綜上所述，轉向節作為車輛轉向系統中的關鍵部件，其穩定性和安全性對整個車輛的性能至關重要。因此，對轉向節的模態特性進行分析和優化是非常有必要的。通過對轉向節的模態分析和優化，可以改善其振動特性和結構穩定性，降低車輛的噪音和振動，提高行駛的舒適性和安全性。同時，對于車輛制造廠商和用戶而言，也可以提高其生產和使用效率，降低生產成本和維護費用。未來，隨著汽車技術的不斷發展和升級，車輛的安全性、舒適性和環保性等方面的要求也越來越高。因此，對轉向節的模態特性分析和優化將成為汽車工程領域中一個不可或缺的研究方向，將會有更多的研究人員投入到這個領域中，以滿足市場和用戶的需求。

基金項目：湖南省教育廳科學研究優秀青年項目：“汽車轉向節路試工況強度分析與優化研究”（21B0884）。

參考文獻：

[1]張波，王玉國，郝照明.基于有限元技術的汽車方向盤模態分析[J].重型汽車，2005：11-12.

[2]吳亦君.汽車電動助力轉向系統的建模與仿真[J].中國工程機械學報，2007：44-48+58.

[3]靳春梅，樊靈.CAE模擬分析在汽車數字化開發中的應用及展望[J].上海汽車，2008：17-18+23.

[4]蘇榮，曾維俊，史韋意.卡車轉向系統怠速振動分析及優化[J].汽車科技，2015：44-49.