摘要

方向盤是商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵部件，對(duì)整車NVH性能有重要影響，文章針對(duì)某商用車方向盤基礎(chǔ)方案和兩個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行了模態(tài)CAE研究，CAE分析結(jié)果表明，此商用車優(yōu)化方案NVH模態(tài)性能滿足目標(biāo)要求。

關(guān)鍵字：商用車；方向盤；模態(tài)

作者：洪嘉琪
單位：江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民的生活水平日益提高，商用車銷量也得到快速發(fā)展，與此同時(shí)，人們對(duì)于整車NVH品質(zhì)要求也越來越高。方向盤是駕駛員通過肢體直接接觸的汽車部件，方向盤的振動(dòng)特性對(duì)駕駛員的安全行駛有著直接影響，同時(shí)方向盤的振動(dòng)會(huì)直接反饋給駕駛員，如果振動(dòng)過大，不但會(huì)降低整車NVH 性能，而且會(huì)對(duì)汽車的正常行駛，操穩(wěn)性能和平順性產(chǎn)生重要影響[1-2]。故研究傳動(dòng)軸NVH 模態(tài)性能具有重要的價(jià)值和意義。

本文研究源于某商用車新開發(fā)方向盤系統(tǒng)，需確保其NVH 模態(tài)性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，通過有限元方法，基于Nastran 軟件，對(duì)某商用車方向盤基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了CAE 模態(tài)分析，CAE 分析結(jié)果表明此商用車方向盤優(yōu)化方案NVH 模態(tài)性能避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速共振頻率，性能滿足目標(biāo)。

方向盤基礎(chǔ)方案CAE 模態(tài)分析

1.1 模態(tài)分析理論

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有模態(tài)頻率及振型是分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析可確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性[3]。

方向盤的振動(dòng)方程為[3]：

                       （1）

式（1）中，[M]為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣；C 為阻尼矩陣；[K]

為總剛度矩陣；{¨q}為加速度向量；{q}為位移向量。

1.2 方向盤有限元模型

本文采用有限元軟件Hyperworks 對(duì)某商用車方向盤基礎(chǔ)方案進(jìn)行了建模，網(wǎng)格大小為4mm，方向盤骨架材質(zhì)為鎂鋁合金，發(fā)泡材料為聚氨酯，模型中采用一維Mass 單元模


圖1 某商用車方向盤基礎(chǔ)方案FEA 模型

1.3 方向盤CAE 模態(tài)分析

本文分析了某商用車方向盤基礎(chǔ)方案?jìng)鲃?dòng)軸自由模態(tài)，CAE 分析結(jié)果如圖2 所示，一階X 向前后擺動(dòng)模態(tài)頻率為40.9Hz，二階Y 向橫向擺動(dòng)模態(tài)頻率為32.1Hz，三階Z 向振動(dòng)模態(tài)頻率為53Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)四階38Hz 存在潛在共振風(fēng)險(xiǎn)。






圖2 方向盤基礎(chǔ)方案模態(tài)分析結(jié)果

方向盤優(yōu)化方案模態(tài)分析

2.1 方向盤優(yōu)化方案

本文對(duì)某商用車方向盤系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案opt1 骨架為鋁合金材質(zhì)，優(yōu)化方案opt2 輪緣為鋼材質(zhì)，輪輻為鋁合金材質(zhì)，如圖3 所示。


2.2 方向盤優(yōu)化方案CAE 模態(tài)分析

本文對(duì)某商用車方向盤優(yōu)化方案opt1 進(jìn)行了自由模態(tài)分析，得到如圖4 分析結(jié)果，一階X 向前后擺動(dòng)模態(tài)頻率為40.5Hz，二階Y 向橫向擺動(dòng)模態(tài)頻率為30.7Hz，三階Z 向振動(dòng)模態(tài)頻率為57.3Hz，改善效果較好。






圖4 方向盤優(yōu)化方案opt1 模態(tài)分析結(jié)果

本文對(duì)方向盤優(yōu)化方案opt2 進(jìn)行了自由模態(tài)分析，得到如圖5 分析結(jié)果，一階X 向前后擺動(dòng)模態(tài)頻率為40.3Hz，二階Y 向橫向擺動(dòng)模態(tài)頻率為30.6Hz，三階Z 向振動(dòng)模態(tài)頻率為57.2Hz，改善效果最好，匯總結(jié)果如表1。






圖5 方向盤優(yōu)化方案opt2 模態(tài)分析結(jié)果



2.3 方向盤CAE_IPI 分析

本文對(duì)方向盤系統(tǒng)三個(gè)方案進(jìn)行了IPI 分析，在方向盤12 點(diǎn)方向施在1N 載荷，在方向盤6 點(diǎn)方向觀測(cè)響應(yīng)結(jié)果，得到圖6 分析結(jié)果，由圖可知，Opt2 方案振動(dòng)響應(yīng)幅值最小，優(yōu)化效果最好。






圖6 方向盤IPI 分析結(jié)果

結(jié)論

本文基于NASTRAN 有限元仿真分析軟件，對(duì)某商用車方向盤基礎(chǔ)方案和兩個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行了CAE 模態(tài)和IPI 分析，結(jié)果表明：

（1）基礎(chǔ)方案一階X 向前后擺動(dòng)模態(tài)頻率為40.9Hz，二階Y 向橫向擺動(dòng)模態(tài)頻率為32.1Hz，三階Z 向振動(dòng)模態(tài)頻率為53Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)四階38Hz 存在潛在共振風(fēng)險(xiǎn)。

（2）優(yōu)化方案通過調(diào)整方向盤骨架和輪輻材質(zhì)，模態(tài)頻率得到優(yōu)化，改善效果顯著，此商用車方向盤優(yōu)化方案NVH模態(tài)避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。






參考文獻(xiàn)
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