某卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測試與分析

王曉蘭　舒宏超　佘威

摘 要：分析了某型卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)激勵(lì)源及傳遞路徑特性，對方向盤、轉(zhuǎn)向柱和方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件分別進(jìn)行模態(tài)測試，獲得了該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為其動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化提供依據(jù)。該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Y向一階彎曲固有頻率為 31.4Hz，避開了怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率。車體、轉(zhuǎn)向柱安裝支架和 CCB管梁等零部件的剛度會(huì)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以全面考慮，避免各部件間共振耦合。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；振動(dòng)分析；模態(tài)分析

1 前言

隨著汽車的普及，人們對汽車的駕駛舒適度期望越來越高，汽車 NVH（ Noise， Vibration& Harshness）研究也愈發(fā)受到相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和汽車生產(chǎn)廠家的重視 [1]。方向盤與駕駛員直接接觸，其振動(dòng)特性將直接影響駕駛員的駕駛安全和駕駛體驗(yàn)，是體現(xiàn)汽車 NVH品質(zhì)的重要因素之一。來自路面和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)能量通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接傳輸?shù)椒较虮P，直接引起方向盤振動(dòng)。同時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸置系統(tǒng)、和車體結(jié)構(gòu)等均對方向盤振動(dòng)有影響。如何優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的 NVH品質(zhì)，始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題 [2-3]。

本文通過對方向盤、轉(zhuǎn)向柱以及方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件進(jìn)行模態(tài)測試，通過對比分析測試數(shù)據(jù)，找出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件之間的相互影響，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù) [4-5]。

2 方向盤振動(dòng)分析

2.1 激勵(lì)源 -傳遞路徑 -接受體模型

從傳遞路徑的角度分析，引起方向盤振動(dòng)的主要原因是激勵(lì)源的激勵(lì)力過大或激勵(lì)頻率和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率耦合，使系統(tǒng)產(chǎn)生共振。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)的激勵(lì)源 -傳遞路徑 -接受體模型如圖 1所示。

2.2 方向盤振動(dòng)激勵(lì)源分析

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)以點(diǎn)火階次為主，對于四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，則以二階激勵(lì)為主。

汽車在路面上行駛，路面對輪胎進(jìn)行周期性激勵(lì)，一般激勵(lì)頻率不超過 20Hz，路面對輪胎激勵(lì)頻率近似公式為

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)

3.1 模態(tài)測試基本原理

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)測試

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先考慮方向盤、轉(zhuǎn)向柱各自本體固有振動(dòng)屬性，然后將方向盤和轉(zhuǎn)向柱看作一個(gè)系統(tǒng)，考察系統(tǒng)的固有振動(dòng)屬性。

測試方向盤和轉(zhuǎn)向柱各自本體固有振動(dòng)屬性時(shí)，試件支撐方式采用橡皮筋懸掛支撐，見圖 2和圖 3，足以保證試件的剛體模態(tài)頻率低于其自身彈性頻率的 1/10。

模態(tài)測試采用的是單輸入單輸（SISO）法，固定力錘激勵(lì)點(diǎn)，通過不斷移動(dòng)加速度響應(yīng)點(diǎn)得到頻響函數(shù)矩陣的一列，從而可以獲得一組完整的模態(tài)測試數(shù)據(jù)。

綜合考慮附加質(zhì)量影響和試驗(yàn)效率，測試過程中以兩個(gè)三向加速度傳感器為一組每隔兩點(diǎn)進(jìn)行拾振，為消除噪聲干擾，采用 4次平均以保證相干函數(shù)和傳遞函數(shù)質(zhì)量。

方向盤平面布置 10個(gè)測點(diǎn)，方向盤安裝孔所屬結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)布置 5個(gè)測點(diǎn)，一共 15個(gè)測點(diǎn)。坐標(biāo)系選取以方向盤平面的法向?yàn)?z方向， x和 y方向由右手定則確定。激勵(lì)點(diǎn)選取了兩處，一處位于方向盤回正時(shí)的 12點(diǎn)鐘方向位置，激勵(lì)方向?yàn)?-z方向，另一處位于連接的過渡斜面上，激勵(lì)方向?yàn)?x y平面內(nèi)斜 45度方向。

轉(zhuǎn)向管柱自身所在圓柱視作桿件，桿的長度方向布置 4個(gè)測點(diǎn)，管柱側(cè)邊結(jié)構(gòu)同樣布置 4個(gè)測點(diǎn)。坐標(biāo)系的選取以管柱長度方向?yàn)?z向，根據(jù)右手定則定義另外兩方向。三向加速度響應(yīng)傳感器布置在轉(zhuǎn)向管柱的最頂端（圖 2），力錘激勵(lì)敏感方向，得到這敏感方向的傳遞函數(shù)。

方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件模態(tài)測試，為了能準(zhǔn)確的獲得方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件在駕駛室內(nèi)約束狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，選取方向盤 12點(diǎn)鐘、 3點(diǎn)鐘、 6點(diǎn)鐘以及 9點(diǎn)鐘作為加速度傳感器的布置點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向柱上選取了 4個(gè)能反應(yīng)其形狀的四個(gè)點(diǎn)，在這四個(gè)點(diǎn)上分別布置加速度傳感器。方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件模態(tài)測試的敲擊點(diǎn)與測點(diǎn)分布詳見圖 4。

3.3 測試結(jié)果與分析

方向盤本體模態(tài)測試結(jié)果見圖 5；轉(zhuǎn)向柱本體模態(tài)測試結(jié)果見圖 6；方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件模態(tài)測試結(jié)果見圖 7。

由圖 7可知方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件固有頻率為 31.3HZ，避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速振動(dòng)激勵(lì)頻率和路面激勵(lì)頻率。圖 7所示的 FRF曲線中，除了在 31.3Hz處有個(gè)波峰外，在 24.3Hz處還有個(gè)較小的波峰，這是由 CCB管梁引起的。在做方向盤與轉(zhuǎn)向柱組件約束模態(tài)時(shí)，必定會(huì)受到車體、轉(zhuǎn)向管柱安裝支架、 CCB管梁等零部件的影響，測試過程中會(huì)采集到其他零部件的一些模態(tài)。

4 結(jié)語

通過該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Y向一階彎曲固有頻率避開了怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率、路面激勵(lì)頻率。同時(shí)知道了車體、轉(zhuǎn)向管柱安裝支架、 CCB管梁等零件對該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)影響，為后續(xù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化、各零部件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔祥梅，湯佳云，李艷華 .關(guān)于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)分析與建議 [J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（19）：19-22.

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作者簡介

王曉蘭：（1981.04—），女，碩士研究生，江淮汽車有限公司，項(xiàng)目管理工程師，研究方向?yàn)槠囇邪l(fā)項(xiàng)目管理及設(shè)計(jì)。