某SUV的轉向系統仿真分析及優化設計

張冰天

眾泰汽車工程研究院 浙江省杭州市 310000

隨著CAE技術的飛速發展，利用CAE分析技術進行仿真分析來考核汽車構件的強度、振動特性和耐久性等已經在現代汽車設計和分析中得到廣泛的應用。成為支持工程行業和制造企業信息化的主導技術，在提高工程/產品的設計質量，降低研究開發成本，縮短開發周期方面都發揮了重要作用，成為實現工程/產品創新的支撐技術。轉向系統是汽車底盤中的一個重要部分，其性能直接影響到汽車行駛平順性和操縱穩定性，且其對汽車NVH性能影響很大[1]。駕駛員對方向盤的振動最為敏感。因此，利用有限元方法分析轉向系統的模態，并基于優化方法使之避開發動機的頻率，同時減輕轉向系統重量，既能縮短開發時間又能減少成本，轉向系統模態分析的目的是確定用以描述轉向系統結構系統特性的固有頻率和振型等模態參數。為避免方向盤的怠速共振，要求轉向系統中方向盤的上下、左右振型的振動頻率高于發動機的怠速激振頻率。

轉向系統是駕駛員平時密切接觸的系統，只要汽車在行駛，駕駛員無時無刻不在接觸方向盤，方向盤抖動問題也成為NVH問題中最為重要的問題之一，經研究，一般轉向系統模態≥35Hz[2]，相應的方向盤抖動問題就會明顯減少，在得到合理的幾何結構后，轉向系統零件的厚度成為影響模態頻率的主要因素。如何合理的分配零件厚度，達到既能滿足NVH性能要求，又能保證系統的質量較輕成為接下來考慮的問題。本文主要研究某SUV轉向系統模態提升方案。

1 轉向系統的模態現狀

1.1 轉向系統的模型描述

轉向系統的模型包括方向盤、轉向管柱及支架、駕駛員安全氣囊，儀表板橫梁、轉向助力電機、主儀表板、副儀表板，空調系統、儀表板橫梁。

1.2 轉向系統的邊界條件

轉向系統為安裝在白車身狀態。

1.3 轉向系統模態

上述模型安裝在白車身上進行計算得轉向系統的橫向模態為33.95Hz，垂向模態為35.78Hz，如圖1、2所示：

圖1 轉向系統橫向模態

2 優化分析

2.1 確定優化方案

由圖可知應變能集中在：

（1）轉向管柱與儀表板橫梁的搭接板。

（2）轉向管柱的兩個支架。

（3）轉向管柱下端的連接支架。

對轉向系統中應變能集中的幾個部件的厚度進行優化，優化方案如圖3、4所示：

（1）將轉向管柱與儀表板橫梁的搭接板由1.2mm調整為2.0mm。

（2）將轉向管柱的兩個支架厚度分別由2.0mm調整為3.2mm，2.0mm調整為3.0mm。

（3）將轉向管柱下端的連接支架厚度由2.0mm調整為3.0mm。

2.2 優化結果

優化后的轉向系統橫向模態為 35.04Hz比原狀態提升了1.09Hz，垂向模態為37.60Hz，比原狀態提升了1.82Hz，且優化后≥35Hz，滿足目標要求。優化后的結果如圖5、6所示：

圖2 轉向系統垂向模態

圖3 轉向系統應變能示意圖

圖4 優化方案示意圖

圖5 轉向系統橫向模態（優化后）

圖6 轉向系統垂向模態（優化后）

3 結語

本文通過Hypermesh建立轉向系統有限元模型，利用Nastran求解器對某SUV的轉向系統模態進行仿真分析，找到該車型轉向系統的薄弱部位，并對其進行優化。使得轉向系統模態達到目標值35Hz。從而有效地避免了方向盤抖動的問題。