基于HyperMesh的方向盤模態提升的設計

孟慶健，丁玲

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperMesh的方向盤模態提升的設計

孟慶健，丁玲

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

利用通用有限元分析軟件HyperWorks12.0，對某乘用車方向盤模態低的問題進行分析及優化設計，提出改善方案，優化后模型在滿足零部件安全可靠性的設計要求前提下，模態有所提升，實車測試振動和固有頻率滿足設計要求，為后期設計提供了分析方法及其防治措施。

方向盤；模態，共振；測試分析

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-26-04

引言

隨著家庭汽車的普及，越來越多的家庭擁有轎車，對汽車的關注不僅僅是外觀造型，對駕駛舒適性要求更高，這樣更多的汽車制造企業需要不斷提高駕駛舒適性來滿足日益增長的市場競爭，隨著汽車相關技術的進步和發展,汽車電動轉向系統逐漸替代了液壓助力，兩者相比,電動助力轉向系統具有結構緊湊、能耗低、易于裝配，駕駛感覺更好等優點,但電動助力轉向系統帶有電機及減速機構通常布置在駕駛艙的管柱上，重量集中在管柱中部區域，造成轉向系統局部重量增加，給管梁的設計帶來困難，為了彌補由于轉向系統重量增加帶來的固有頻率降低的風險，管梁的設計需要提升。又由于轉向盤是駕駛員最直接接觸的零件，那么汽車的轉向系統與車身共振產生的噪音問題不僅會影響駕乘舒適性，同時由于共振的存在可能會造成系統原件的損壞，因此應引起特別重視。

1、振動噪音概述

汽車振動噪聲的評價指標取決于幾個因素：第一是顧客的要求，這來源于市場調查；第二是對競爭對手的車輛進行評估，然后決定自己要求開發的汽車在未來的市場上占據什么位置；第三是根據公司的現有技術水平尋求最佳的聲音效果。振動噪聲評價包括車內噪聲與振動評價，系統和零部件的噪聲與振動評價，以及車外噪聲評價。

汽車的噪聲振動還可以分為主觀評價和客觀評價。主觀評價是顧客對車內噪聲振動的直觀感覺，感覺聲音是安靜還是吵鬧，是和諧還是刺耳，感覺振動大小和舒適性。客觀評價是通過分析和測量的方法得到噪聲與振動的參數來評價車內噪聲與振動的大小和好壞。

車內噪聲與振動的主觀評價指標包括主觀定級和聲品質。主觀定級是人為地把噪聲或振動分成10個級別[1]，具體見表1 噪聲與振動主觀評價級別，圖2為人體在垂直方向上的反應與振動頻率的關系。

表1 噪聲與振動主觀評價級別[1]

圖1為客觀測試人體振動與噪音的測量點，車內噪聲與振動的客觀評價指標有：

①司機耳朵和乘客耳朵處的噪聲

②汽車地板或座椅基架處的振動

③方向盤上的振動

④座椅上的振動和人體的振動

圖1 客觀測試人體振動與噪音的測量點[1]

圖2 人體在垂直方向上的反應與振動頻率的關系[1]

2、方向盤模態

方向盤模態分析即對方向盤所在的轉向系統固有振動特性進行分析，既有特定的固有頻率和模態振型。

圖3 模態分析流程圖

方向盤模態分析方法有兩種：一種是由有限元計算的方法完成的則稱為模態分析，分析軟件為HyperWorks等，另一種是通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別來獲得模態參數，稱為試驗模態分析[1]。本文先采用HyperMesh進行模態分析，根據分析的結果優化模型數據，樣件做出來后裝車再進行實車測試模態驗證軟件分析的準確性，具體流程圖見圖3。

3、有限元分析模態

本文是利用HyperMesh進行有限元分析，HyperMesh是杰出的有限元分析前后處理平臺，擁有全面的CAD和CAE求解器接口，強大的幾何清理和網格劃分功能，能夠高效地建立各種復雜模型的有限元和有限差分模型[3]。

首先利用CATIA建立三維模型，模型包括轉向系統及其支撐件，主要由轉向盤，轉向管柱，傳動軸，轉向器，車身管梁和副車架組成。如圖4所示。

圖4 轉向系統及支撐件圖

CATIA建立三維數模后，利用HyperMesh進行有限元前處理（本文這里不進行詳述），建立轉向系統有限元分析模型，見圖5，設定邊界條件，約束系統模態，在車身截斷面處施加全約束，分析頻率1～50Hz。

圖5 轉向系統模態分析模型

轉向系統固有頻率及振動設計指標，見表2表3。

表2 轉向系統固有頻率設計指標

表3 轉向系統振動設計指標

3)方向盤模態分析結果

方向盤及其轉向系統模態分析：方向盤采用質心坐標和質量塊替代，固定管柱的安裝點，如圖6，分析結果見表4，滿足設計指標要求。

表4 方向盤模態分析結果

圖6 方向盤及其轉向系統模態圖

方向盤及其轉向系統+管梁：轉向系統模態前兩階振型分析，結果如表5，對應振型如圖7～9垂向25.55Hz，小于設計指標32Hz，不滿足設計指標，需進行整改。

表5 方向盤及其轉向系統+管梁分析結果

圖7 第一階模態（方向盤垂向25.5Hz）

圖8 第二階模態（方向盤橫向37.33Hz）

對于所考察的一階模態，觀察其應變能集中的區域，也就是需要加強剛度的位置，如圖9中紅色框區域，可以看出，管梁及其車身左側圍連接鈑金區域，轉向管柱與管梁連接板，管梁與地板連接支架，連接點，管梁與車身前圍連接區域動剛度偏弱，需要加強。

圖9 第一階模態應變能分布圖

4）根據分析結果制定優化方案：結合模態應變能分布情況，基于轉向系統鈑金件厚度的靈敏度分析，以及方案的可實施性，進行以下改進，見圖10，管柱安裝板厚度有2.0mm增加至2.5mm，管梁與地板連接支架增加兩個支撐支架并增加塞焊，連接支架與地板增加加強板，優化后第一階模態頻率32Hz，較原方案提升明顯，避開怠速激勵7Hz，消除共振。

圖10 優化方案模型

4、主觀評價及實車測試模態驗證

1）主觀評價：評審原則盲審并且評審樣本量10人，分別駕乘并對方向盤振動和噪聲進行打分，根據主觀統計數據得出級別處于7與8之間，大多數下線的新汽車在多數品質上的主觀評價是7或8[2]。

2）實車測試激勵的方法即人為地對結構物事加一定動態激勵，采集各點的振動響應信號機激振力信號，根據力及響應信號，用各種參數識別方法獲取模態參數。具體方向盤上傳感器布置方案見圖11，測試結果見表6和表7方向盤振動加速度和固有頻率，圖12和圖13為方向盤振動與固有頻率頻譜圖，從實測的試驗結果可以看出，在開空調工況下，X和Z向振動加速度值0.05小于設計指標0.08，X和Z向固有頻率為32.1Hz滿足設計指標32Hz。

圖11 方向盤上傳感器布置方案

表6 方向盤振動加速度數據 單位（g）

表7 方向盤各向固有頻率

圖12 怠速關/開空調方向盤振動頻譜圖

圖13 方向盤各向固有頻率頻譜圖

5、結論

轉向系統由于其直接和駕駛員接觸，因此其在工作過程中產生的噪音和振動往往直接被駕駛員所感知，所以整車廠一般將轉向系統振動和噪音評價列為重點評價和關鍵性指標[1]。

因此本文主要研究了整車轉向系統設計驗證階段關鍵指標方向盤模態，利用HyperMesh對設計方案進行固有頻率和振型進行分析，提出改進方案，優化后模型在固有頻率和振動加速度都有所提高，再經主觀評價和實車測試驗證符合了設計指標，為后期新車型開發提供了設計依據，提升了駕乘舒適性和安全性。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動.北京理工大學出版社.2006.6.

[2] 李惠彬,上官云飛.汽車噪聲與振動控制.機械工業出版社.2009.5.

[3] 李楚琳,張勝蘭,馮櫻,楊朝陽.HyperWorks分析應用實例.機械工業出版社 2008.7.

Base on HyperMesh of the steering wheel modal improve design

Meng Qingjian, Ding Ling
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

HyperWorks12.0 using general finite element analysis software, the problem of low of a passenger car steering wheel modal analysis and optimization design, put forward the improvement scheme, the optimized model under the premise that meets the design requirements of parts safety and reliability, improve modal real vehicle testing vibration and natural frequency to meet the design requirements, for later design provides analysis method and its prevention measures.

The steering wheel; Modal; resonance; Test and analysis

U462.1

A

1671-7988 (2017)05-26-04

孟慶健（1980-）男，本科，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。丁玲（1982-），女，本科，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.009