摘要：汽車方向盤設(shè)計(jì)的好壞對正常駕駛起到重要的作用。如何從設(shè)計(jì)上滿足方向盤強(qiáng)度和NVH要求，又做到輕量化，成為大家追求的目標(biāo)。本文闡述了某商用車方向盤設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)度和模態(tài)分析，通過對改進(jìn)方案的分析，得出方向盤的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：方向盤;商用車;有限元

中圖分類號：U463收稿日期：2022-04-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.08.009

1 前言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的速度越來越快，外型越來越漂亮，內(nèi)部裝飾越來越復(fù)雜多樣，內(nèi)在的科技含量越來越高。商用車方向盤也發(fā)生不小的變化，其材料從傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)變化成鎂鋁合金。鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有強(qiáng)度高，阻尼、吸振及降噪性能優(yōu)越，鑄造成形、機(jī)加工和表面裝飾性能好，易回收等優(yōu)點(diǎn)。鎂鋁合金應(yīng)用于方向盤可實(shí)現(xiàn)輕量化，又可降低路面和控制系統(tǒng)的振動，同時發(fā)生意外時，鎂鋁合金方向盤可吸收更多能量，保證駕駛員安全。本文針對某商用車方向盤設(shè)計(jì)，采用鎂鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合使用的方向盤進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)有限元分析，防止出現(xiàn)斷裂、抖動等問題。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用，模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由仿真或?qū)嶒?yàn)得到，這樣一個計(jì)算或?qū)嶒?yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。如果通過分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就能預(yù)測結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部和內(nèi)部各種振源作用下的實(shí)際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。

方向盤振動指在一定的發(fā)動機(jī)怠速范圍內(nèi)或者在一定的路況下引起的方向盤劇烈振動的現(xiàn)象，而發(fā)動機(jī)怠速振動和路況差是導(dǎo)致方向盤振動的主要原因之一。在車輛怠速時，發(fā)動機(jī)的激勵頻率高于行駛時的路面激勵頻率，發(fā)動機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下，其振動能量通過發(fā)動機(jī)懸置到達(dá)車身，通過車身傳遞給方向盤，使方向盤發(fā)生振動，振動激勵能量通過傳遞路徑最終到達(dá)方向盤，如果方向盤的固有頻率和激勵頻率接近，將會使方向盤發(fā)生劇烈的振動，而且怠速下駕駛員對方向盤最為敏感。為避免在怠速下發(fā)生共振，某商用車對方向盤總成的固有頻率要求為大于57Hz。

本文中的方向盤模態(tài)分析不考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析的是方向盤的約束模態(tài)。方向盤的材料屬性如表1所示。三維數(shù)模以stp格式導(dǎo)入到HyperMesh中，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，定義單元屬性以及連接，施加約束。最后進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，在后處理軟件中讀出模態(tài)振型及其頻率，其結(jié)果見表2。第一階模態(tài)為上下擺動41.7Hz，如圖1。第二階模態(tài)為左右擺動50.9Hz，第三階模態(tài)為前后擺動為52.2 Hz，遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的一階模態(tài)57Hz。

3 強(qiáng)度分析

方向盤骨架在承受沖擊、扭轉(zhuǎn)等情況容易出現(xiàn)輻條和輪圈結(jié)合部位裂紋，甚至斷裂。進(jìn)行三種工況分析：靜態(tài)平行彎曲強(qiáng)度分析、單側(cè)彎曲強(qiáng)度分析、靜態(tài)抗扭強(qiáng)度分析。

靜態(tài)平行彎曲強(qiáng)度分析如圖2所示，要求在負(fù)荷980N時，應(yīng)無裂縫、分裂或間隙出現(xiàn)，最大彎曲變形不得超過20mm，永久彎曲變形不得超過3mm。由有限元分析可知：最大變形為6.3mm，永久變形為0.2mm，最大應(yīng)力為245.7 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

單側(cè)彎曲強(qiáng)度分析如圖3所示，要求在負(fù)載392N時，零件上應(yīng)無裂縫、分裂或間隙出現(xiàn)。最大彎曲變形不應(yīng)超過45mm，永久彎曲變形不得超過7mm。負(fù)載785N時，最大彎曲變形不得超過160mm。由有限元分析可知：392N時最大變形為6.3mm，永久變形為0.2mm，785N時最大變形為11.6mm，最大應(yīng)力為168.6 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

靜態(tài)抗扭強(qiáng)度分析如圖4所示，要求在方向盤外圍的切線方向施加負(fù)荷。負(fù)載235N·m時，應(yīng)無裂縫、分裂或間隙等異常情況，彎曲扭矩下變形不得超過25mm。由有限元分析可知：最大變形為3.5mm，最大應(yīng)力為141 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 優(yōu)化分析及改進(jìn)方案

從上述分析可以看出，方向盤的一階垂直模態(tài)頻率為41.7Hz，沒有達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)要求，所以要對方向盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而在機(jī)械系統(tǒng)中優(yōu)化抗振能力，一般用動剛度作為標(biāo)準(zhǔn)。提高方向盤的動剛度能夠提高其抗振能力，有利于減輕結(jié)構(gòu)的振動。提高方向盤動剛度的措施主要有：a.改善方向盤的靜剛度和固有頻率。在改善靜剛度的過程中應(yīng)從構(gòu)件的截面輪廓尺寸和截面形狀、構(gòu)件上孔的尺寸和布置、構(gòu)件壁厚以及連接處的動剛度來考慮。同時應(yīng)注意減輕構(gòu)件質(zhì)量，提高其固有頻率，避免共振。b.改善方向盤的阻尼特性。結(jié)構(gòu)阻尼由結(jié)合面間的摩擦阻尼和材料的內(nèi)摩擦阻尼組成，通常接合面間阻尼占主要地位。充分利用接合面間阻尼或附加具有高內(nèi)阻尼的材料，可以改善方向盤的阻尼特性。

具體改進(jìn)優(yōu)化方案：a.采用改變外緣截面尺寸的方法，在降低外圈質(zhì)量的同時，提高方向盤外圈的動剛度。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%。b.把輪輻和輪圈相連的圓角增大。原方案與優(yōu)化方案模型對比如圖5所示。

通過上述方案對方向盤模型進(jìn)行修改分析。得出方向盤的模態(tài)和強(qiáng)度，如表3～表4所示。

5結(jié)語

改進(jìn)優(yōu)化方案一階模態(tài)頻率高于設(shè)計(jì)要求，三種工況的強(qiáng)度分析也滿足要求，改進(jìn)優(yōu)化方案可行。

減少方向盤質(zhì)量和優(yōu)化方向盤結(jié)構(gòu)，是減小方向盤振動的一種行之有效的方法。改進(jìn)后的方向盤避開了易發(fā)生共振的激勵頻率區(qū)域，具有良好的動態(tài)特性。

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作者簡介：

李浩亮，男，1983年生，高級工程師，研究方向?yàn)槠嚱Y(jié)構(gòu)疲勞耐久。