基于ANSYS汽車轉向柱的模態分析研究

王成華，孟廣耀，周忠偉，徐 建

（青島理工大學 機械工程學院，山東 青島266033）

1 引言

轉向柱作為汽車的重要配件，伴隨著汽車工業的發展，被提出了越來越高的要求。轉向柱主要用來支承轉向盤及與轉向盤連接的轉向柱、傳動軸等，另外還具有很多的輔助功能，如：吸收沖擊能量、可伸縮及角度可調等。其良好的功能對于改善車輛舒適度有重要的作用，對于提高車輛操作的穩定性也有至關重要的作用。通過對其進行模態分析，了解其動態性能，可以為優化其結構等提供良好的數據參數及理論指導。

有限元分析方法在20世紀50年代伴隨著結構力學分析而迅速發展，隨著現代計算機技術的進步，有限元分析方法也逐步完善并日趨成熟，在現代制造設計過程中應用普遍，成為解決復雜工程問題的不可或缺的有效手段，ANASYS文件在其所有的產品系列和工作平臺上均兼容，作為商業化比較早的軟件，同時進入國內時間也比較長，目前在國內的應用范圍及普及程度相對來說都較好。

ANASYS作為國際通用的分析軟件，提供了豐富的結構單元、熱分析單元等，將之與模態分析相結合，是理論與實驗分析振動問題的新方法，也是近年研究的熱點，本文即采用此方法對轉向柱進行分析，這也是目前分析振動問題的新趨勢。

2 轉向柱模型的建立

2.1 幾何模型的建立

轉向柱是汽車上必不可少的組件，通過轉向柱，駕駛員把扭矩傳遞給轉向器，帶動轉向器將油泵供油輸送到轉向油缸，實現液壓助力轉向。同時，僅僅通過用理論來對轉向柱進行振動過程的分析是非常困難的，所以通過引入數值分析方法簡化過程。通過對轉向柱進行振動模態分析，對轉向柱振動的狀態進行了研究，從而為轉向柱的設計提供重要依據。

其結構主要包括：①下支架②管柱體③調節支架④轉向軸⑤固定座⑥護罩固定支架⑦防盜鎖箱⑧管柱加強板以及⑨軸承等，下支架、調節支架、固定座、護罩固定支架、防盜鎖箱、管柱加強板為薄壁沖壓零件，管柱體、轉向軸為薄壁管件。轉向柱結構見圖1，各材料清單見表1，材料參數見表2。

表1 轉向柱材料清單

圖1 轉向柱結構圖

表2 材料參數

2.2 有限元模型的建立

邊界條件：方向盤等量質量塊重約2.7kg，位于轉向軸軸線上，距轉向軸P平面100mm處。

分析模型：這里分析單元采用線性殼單元是考慮到轉向柱零件為薄壁零件，各個零件對應的實常數見表2所列。

分析過程中對一些零部件進行適當的簡化，可以更好地實現轉向柱的振動模態的分析，如忽略聯軸器部分。

管柱體與轉向軸通過兩個軸承連接，管柱體僅可繞轉向軸相對轉動，沒有其他方向自由度。在800N徑向載荷作用下，上軸承位移小于0.3mm，下軸承小于1.0mm。

2.3 轉向柱分析模型

將上下軸承均簡化為柔性聯接。利用綁定接觸簡化下支架與管柱體焊接、管柱加強板與管柱體焊接、固定座與調節支架靜摩擦連接。分析模型見圖2所示。

圖2 轉向柱分析模型

2.4 軸承剛度對模態頻率影響分析結果

集中質量：2.7kg。軸承剛度：上軸承，3333N/mm；下軸承，2857N/mm，如表3所示。

3 結果分析

通過詳細分析，上下軸承簡化為柔性連接時，在不同的剛度條件下，轉向柱縱向一階模態頻率在43.774～48.937 Hz之間。軸承徑向剛度為上軸承3333N/mm，下軸承2857N/mm時，相應的縱向一階模態頻率為43.774 Hz。當實際軸承剛度為承諾值的2倍時，頻率顯著增加，可達46.655 Hz；當軸承剛度超過4倍時，對模態頻率影響很小。實際上，軸承剛度不可能達到6倍，也就是說，根據本分析，轉向柱的模態頻率不可能超過48.937 Hz。圖3所示為6倍軸承剛度時分析圖。

表3 剛度對模態影響

分析沒有考慮固定座和調節支架的靜摩擦連接剛度以及轉向柱安裝支撐剛度的影響，對轉向柱結構幾何形狀也做了適當簡化。因此，分析結果與實物樣件試驗結果可能會有一定的差異，但是通過實際樣件試驗可以檢驗分析模型建立是否正確，逐步建立轉向柱模態分析模型的簡化標準，并用于優化或改進轉向柱設計等。

圖3 6倍剛度分析

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