孟慶健，丁玲

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperMesh的方向盤模態(tài)提升的設(shè)計(jì)

孟慶健，丁玲

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

利用通用有限元分析軟件HyperWorks12.0，對(duì)某乘用車方向盤模態(tài)低的問題進(jìn)行分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出改善方案，優(yōu)化后模型在滿足零部件安全可靠性的設(shè)計(jì)要求前提下，模態(tài)有所提升，實(shí)車測(cè)試振動(dòng)和固有頻率滿足設(shè)計(jì)要求，為后期設(shè)計(jì)提供了分析方法及其防治措施。

方向盤；模態(tài)，共振；測(cè)試分析

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-26-04

引言

隨著家庭汽車的普及，越來越多的家庭擁有轎車，對(duì)汽車的關(guān)注不僅僅是外觀造型，對(duì)駕駛舒適性要求更高，這樣更多的汽車制造企業(yè)需要不斷提高駕駛舒適性來滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，隨著汽車相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸替代了液壓助力，兩者相比,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、易于裝配，駕駛感覺更好等優(yōu)點(diǎn),但電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶有電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)通常布置在駕駛艙的管柱上，重量集中在管柱中部區(qū)域，造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)局部重量增加，給管梁的設(shè)計(jì)帶來困難，為了彌補(bǔ)由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重量增加帶來的固有頻率降低的風(fēng)險(xiǎn)，管梁的設(shè)計(jì)需要提升。又由于轉(zhuǎn)向盤是駕駛員最直接接觸的零件，那么汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車身共振產(chǎn)生的噪音問題不僅會(huì)影響駕乘舒適性，同時(shí)由于共振的存在可能會(huì)造成系統(tǒng)原件的損壞，因此應(yīng)引起特別重視。

1、振動(dòng)噪音概述

汽車振動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)取決于幾個(gè)因素：第一是顧客的要求，這來源于市場(chǎng)調(diào)查；第二是對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的車輛進(jìn)行評(píng)估，然后決定自己要求開發(fā)的汽車在未來的市場(chǎng)上占據(jù)什么位置；第三是根據(jù)公司的現(xiàn)有技術(shù)水平尋求最佳的聲音效果。振動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)包括車內(nèi)噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)和零部件的噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)，以及車外噪聲評(píng)價(jià)。

汽車的噪聲振動(dòng)還可以分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)是顧客對(duì)車內(nèi)噪聲振動(dòng)的直觀感覺，感覺聲音是安靜還是吵鬧，是和諧還是刺耳，感覺振動(dòng)大小和舒適性?？陀^評(píng)價(jià)是通過分析和測(cè)量的方法得到噪聲與振動(dòng)的參數(shù)來評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的大小和好壞。

車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)包括主觀定級(jí)和聲品質(zhì)。主觀定級(jí)是人為地把噪聲或振動(dòng)分成10個(gè)級(jí)別[1]，具體見表1 噪聲與振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)級(jí)別，圖2為人體在垂直方向上的反應(yīng)與振動(dòng)頻率的關(guān)系。

表1 噪聲與振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)級(jí)別[1]

圖1為客觀測(cè)試人體振動(dòng)與噪音的測(cè)量點(diǎn)，車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)有：

①司機(jī)耳朵和乘客耳朵處的噪聲

②汽車地板或座椅基架處的振動(dòng)

③方向盤上的振動(dòng)

④座椅上的振動(dòng)和人體的振動(dòng)

圖1 客觀測(cè)試人體振動(dòng)與噪音的測(cè)量點(diǎn)[1]

圖2 人體在垂直方向上的反應(yīng)與振動(dòng)頻率的關(guān)系[1]

2、方向盤模態(tài)

方向盤模態(tài)分析即對(duì)方向盤所在的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有振動(dòng)特性進(jìn)行分析，既有特定的固有頻率和模態(tài)振型。

圖3 模態(tài)分析流程圖

方向盤模態(tài)分析方法有兩種：一種是由有限元計(jì)算的方法完成的則稱為模態(tài)分析，分析軟件為HyperWorks等，另一種是通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別來獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[1]。本文先采用HyperMesh進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)分析的結(jié)果優(yōu)化模型數(shù)據(jù)，樣件做出來后裝車再進(jìn)行實(shí)車測(cè)試模態(tài)驗(yàn)證軟件分析的準(zhǔn)確性，具體流程圖見圖3。

3、有限元分析模態(tài)

本文是利用HyperMesh進(jìn)行有限元分析，HyperMesh是杰出的有限元分析前后處理平臺(tái)，擁有全面的CAD和CAE求解器接口，強(qiáng)大的幾何清理和網(wǎng)格劃分功能，能夠高效地建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型[3]。

首先利用CATIA建立三維模型，模型包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其支撐件，主要由轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向管柱，傳動(dòng)軸，轉(zhuǎn)向器，車身管梁和副車架組成。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及支撐件圖

CATIA建立三維數(shù)模后，利用HyperMesh進(jìn)行有限元前處理（本文這里不進(jìn)行詳述），建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元分析模型，見圖5，設(shè)定邊界條件，約束系統(tǒng)模態(tài)，在車身截?cái)嗝嫣幨┘尤s束，分析頻率1～50Hz。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率及振動(dòng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，見表2表3。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率設(shè)計(jì)指標(biāo)

表3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

3)方向盤模態(tài)分析結(jié)果

方向盤及其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析：方向盤采用質(zhì)心坐標(biāo)和質(zhì)量塊替代，固定管柱的安裝點(diǎn)，如圖6，分析結(jié)果見表4，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表4 方向盤模態(tài)分析結(jié)果

圖6 方向盤及其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)圖

方向盤及其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)+管梁：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)前兩階振型分析，結(jié)果如表5，對(duì)應(yīng)振型如圖7～9垂向25.55Hz，小于設(shè)計(jì)指標(biāo)32Hz，不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，需進(jìn)行整改。

表5 方向盤及其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)+管梁分析結(jié)果

圖7 第一階模態(tài)（方向盤垂向25.5Hz）

圖8 第二階模態(tài)（方向盤橫向37.33Hz）

對(duì)于所考察的一階模態(tài)，觀察其應(yīng)變能集中的區(qū)域，也就是需要加強(qiáng)剛度的位置，如圖9中紅色框區(qū)域，可以看出，管梁及其車身左側(cè)圍連接鈑金區(qū)域，轉(zhuǎn)向管柱與管梁連接板，管梁與地板連接支架，連接點(diǎn)，管梁與車身前圍連接區(qū)域動(dòng)剛度偏弱，需要加強(qiáng)。

圖9 第一階模態(tài)應(yīng)變能分布圖

4）根據(jù)分析結(jié)果制定優(yōu)化方案：結(jié)合模態(tài)應(yīng)變能分布情況，基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)鈑金件厚度的靈敏度分析，以及方案的可實(shí)施性，進(jìn)行以下改進(jìn)，見圖10，管柱安裝板厚度有2.0mm增加至2.5mm，管梁與地板連接支架增加兩個(gè)支撐支架并增加塞焊，連接支架與地板增加加強(qiáng)板，優(yōu)化后第一階模態(tài)頻率32Hz，較原方案提升明顯，避開怠速激勵(lì)7Hz，消除共振。

圖10 優(yōu)化方案模型

4、主觀評(píng)價(jià)及實(shí)車測(cè)試模態(tài)驗(yàn)證

1）主觀評(píng)價(jià)：評(píng)審原則盲審并且評(píng)審樣本量10人，分別駕乘并對(duì)方向盤振動(dòng)和噪聲進(jìn)行打分，根據(jù)主觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出級(jí)別處于7與8之間，大多數(shù)下線的新汽車在多數(shù)品質(zhì)上的主觀評(píng)價(jià)是7或8[2]。

2）實(shí)車測(cè)試激勵(lì)的方法即人為地對(duì)結(jié)構(gòu)物事加一定動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)機(jī)激振力信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)，用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)。具體方向盤上傳感器布置方案見圖11，測(cè)試結(jié)果見表6和表7方向盤振動(dòng)加速度和固有頻率，圖12和圖13為方向盤振動(dòng)與固有頻率頻譜圖，從實(shí)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在開空調(diào)工況下，X和Z向振動(dòng)加速度值0.05小于設(shè)計(jì)指標(biāo)0.08，X和Z向固有頻率為32.1Hz滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)32Hz。

圖11 方向盤上傳感器布置方案

表6 方向盤振動(dòng)加速度數(shù)據(jù) 單位（g）

表7 方向盤各向固有頻率

圖12 怠速關(guān)/開空調(diào)方向盤振動(dòng)頻譜圖

圖13 方向盤各向固有頻率頻譜圖

5、結(jié)論

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于其直接和駕駛員接觸，因此其在工作過程中產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)往往直接被駕駛員所感知，所以整車廠一般將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)和噪音評(píng)價(jià)列為重點(diǎn)評(píng)價(jià)和關(guān)鍵性指標(biāo)[1]。

因此本文主要研究了整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段關(guān)鍵指標(biāo)方向盤模態(tài)，利用HyperMesh對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行固有頻率和振型進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，優(yōu)化后模型在固有頻率和振動(dòng)加速度都有所提高，再經(jīng)主觀評(píng)價(jià)和實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證符合了設(shè)計(jì)指標(biāo)，為后期新車型開發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，提升了駕乘舒適性和安全性。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng).北京理工大學(xué)出版社.2006.6.

[2] 李惠彬,上官云飛.汽車噪聲與振動(dòng)控制.機(jī)械工業(yè)出版社.2009.5.

[3] 李楚琳,張勝蘭,馮櫻,楊朝陽.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社 2008.7.

Base on HyperMesh of the steering wheel modal improve design

Meng Qingjian, Ding Ling
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

HyperWorks12.0 using general finite element analysis software, the problem of low of a passenger car steering wheel modal analysis and optimization design, put forward the improvement scheme, the optimized model under the premise that meets the design requirements of parts safety and reliability, improve modal real vehicle testing vibration and natural frequency to meet the design requirements, for later design provides analysis method and its prevention measures.

The steering wheel; Modal; resonance; Test and analysis

U462.1

A

1671-7988 (2017)05-26-04

孟慶?。?980-）男，本科，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。丁玲（1982-），女，本科，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.009