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方向盤(pán)振動(dòng)分析與優(yōu)化案例

2020-02-15 21:27:22·  來(lái)源：汽車(chē)NVH云講堂  
　
1方向盤(pán)振動(dòng)摸底試驗(yàn)1.1試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)試驗(yàn)測(cè)量方向盤(pán)在各個(gè)工況下的振動(dòng)大小，了解并量化方向盤(pán)振動(dòng)的特性，找出振動(dòng)的問(wèn)題峰值，確定優(yōu)化的目標(biāo)頻率。1.2試驗(yàn)方
1        方向盤(pán)振動(dòng)摸底試驗(yàn)
1.1        試驗(yàn)?zāi)康?/div>
通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量方向盤(pán)在各個(gè)工況下的振動(dòng)大小，了解并量化方向盤(pán)振動(dòng)的特性，找出振動(dòng)的問(wèn)題峰值，確定優(yōu)化的目標(biāo)頻率。
1.2        試驗(yàn)方法
通過(guò)在方向盤(pán)上安裝一個(gè)三向加速度傳感器來(lái)測(cè)量方向盤(pán)振動(dòng)信號(hào)。傳感器安裝于圖1所示坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，坐標(biāo)系選擇如圖1所示。
所測(cè)量工況有怠速、2檔和3檔以及最高檔加速工況、高速巡航工況（60km/h~120km/h，每隔10km/h，此外增加95km/h和105km./h）、滑行工況（slidup、sliddown、coastdown）。
圖1 方向盤(pán)振動(dòng)分析坐標(biāo)系示意圖
1.3        方向盤(pán)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果
通過(guò)對(duì)摸底試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)作分析，得出以下兩個(gè)主要的結(jié)論：
1.3.1  在所有工況下，Z向的振動(dòng)都比其它兩個(gè)方向的振動(dòng)要嚴(yán)重。如下面兩圖是怠速工況下方向盤(pán)三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)在頻域的對(duì)比。
圖2 怠速工況方向盤(pán)振動(dòng)頻譜圖
1.3.2    方向盤(pán)振動(dòng)峰值主要集中在20-106的頻率范圍內(nèi)。在所有工況的振動(dòng)峰值里，110km/h(28Hz), 105km/h(28Hz),70km/h(38Hz)的振動(dòng)是最嚴(yán)重的；而怠速工況的使用頻率比較高，其峰值（26Hz）也很重要；60，80，120km/h的32Hz振動(dòng)也是很明顯的。
圖3 20至106Hz方向盤(pán)振動(dòng)頻譜峰值圖
圖4 110km/h(28.95Hz), 105km/h(27.65Hz), 70km/h(38Hz), 怠速（26.64Hz）
方向盤(pán)振動(dòng)頻譜圖
圖5 60、80和120km/h工況下30Hz附近峰值
2        方向盤(pán)模態(tài)試驗(yàn)
2.1        試驗(yàn)?zāi)康?/div>
通過(guò)試驗(yàn)確定方向盤(pán)在安裝狀態(tài)下的固有頻率，以判斷是否有共振現(xiàn)象導(dǎo)致方向盤(pán)的振動(dòng)問(wèn)題。從摸底試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，方向盤(pán)振動(dòng)的問(wèn)題主要是Z向振動(dòng)比較大，因此模態(tài)試驗(yàn)的目的是測(cè)量方向盤(pán)在Z向振動(dòng)的固有頻率。
2.2        試驗(yàn)方案
在臺(tái)架車(chē)上，安裝狀態(tài)下，沿方向盤(pán)外沿布置8個(gè)加速度傳感器，于方向盤(pán)正中布置一個(gè)，方向均為Z向。用力錘在圖6所示位置敲擊，測(cè)量方向盤(pán)的加速度響應(yīng)，以此分析出方向盤(pán)在Z向振動(dòng)的固有頻率。
圖6 方向盤(pán)模態(tài)試驗(yàn)
2.3        試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)模態(tài)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出方向盤(pán)Z向的固有頻率如表1所示。與摸底試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，方向盤(pán)Z向第1、2階的固有頻率均與問(wèn)題頻率接近，圖4中黑粗豎線表示方向盤(pán)Z向第1階的固有頻率，圖5中黑粗豎線表示方向盤(pán)Z向第2階固有頻率。
從模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，方向盤(pán)在固有頻率下的共振是導(dǎo)致方向盤(pán)振動(dòng)的原因之一。尤其是方向盤(pán)Z向一階頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下的二階頻率非常接近，極易被激發(fā)出來(lái)。
表1 方向盤(pán)Z向固有頻率
 
3        轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模態(tài)分析 
3.1        轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模態(tài)分析目的
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作仿真模態(tài)分析，可以找出在模態(tài)頻率下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生較大應(yīng)變的區(qū)域，這表示在該區(qū)域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度不夠。針對(duì)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)將能夠增加其剛度，提高該階模態(tài)的固有頻率，并進(jìn)而與激勵(lì)信號(hào)的頻率錯(cuò)開(kāi)，避免結(jié)構(gòu)的共振，降低方向盤(pán)的振動(dòng)響應(yīng)。
3.2        傳真計(jì)算結(jié)果
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立有限元模態(tài)，計(jì)算出其在前兩階模態(tài)下的應(yīng)變，如圖7與圖8所示?？梢钥闯?，主要的變形發(fā)生在轉(zhuǎn)向管柱與方向盤(pán)連接的一段，以及輪輻支撐桿上。這也是需要加強(qiáng)的地方。
圖7 第一階模態(tài)振型圖
圖8 第二階模態(tài)振型圖
 4        優(yōu)化方案的提出
在摸底試驗(yàn)中我們確定了方向盤(pán)振動(dòng)的問(wèn)題，又通過(guò)方向盤(pán)的模態(tài)試驗(yàn)找出了其固有頻率，發(fā)現(xiàn)存在模態(tài)頻率下的共振現(xiàn)象。又通過(guò)傳真分析，確定了轉(zhuǎn)向管柱與方向盤(pán)連接的一段，以及輪輻支撐桿是需要加強(qiáng)剛度的地方。因此我們提出如下的優(yōu)化方案：
      轉(zhuǎn)向管柱近方向盤(pán)段半徑增加2mm（如圖所示）；輪輻支撐桿半徑增加4mm左右（如圖9）。
圖9 轉(zhuǎn)向管柱改進(jìn)
圖10 輪輻支撐桿改進(jìn)
 5        優(yōu)化方案效果預(yù)測(cè)
在傳真模型中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案，計(jì)算其對(duì)于提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率的效果。計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 固有頻率提高效果預(yù)測(cè)
 
 
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