低成本機械管柱低階固有頻率優化方法研究

陳曉濤　董亞旗　王惠　趙文濤　趙士偉　徐浩然

摘 要：新能源汽車行業推動著中國汽車行業快速發展，隨之而來的是對新能源汽車更加嚴苛的性能要求和成本控制要求。新能源車型配置的電機、電池模組在現階段不可避免的增加車身整備重量，使得車橋負載增大，目前國內市場主流的新能源車型轉向系統助力配備在轉向機，結構形式為EPSdp或者EPSapa。這使得轉向管柱搭配的結構形式主要為機械管柱或者電動調節管柱，因成本原因，目前電動調節管柱在新能源汽車配備的比例仍然不高，而機械管柱是主要的結構形式。隨著新能源車汽車的快速發展，低成本、高性能的機械管柱在汽車行業的需求數量越來越高，低成本管柱的開發周期、產品性能面臨越來越嚴峻的考驗。本文通過一款低成本機械管柱的開發案例，對低成本管柱低階固有頻率性能優化的方法進行研究。

關鍵詞：低成本機械管柱 固有頻率 有限元計算

Research on Optimization Method of Low-order Natural Frequency of Low-cost Mechanical String

Chen Xiaotao Dong Yaqi Wang Hui Zhao Wentao Zhao Shiwei Xu Haoran

Abstract：The new energy vehicle industry is driving the rapid development of China's automobile industry， followed by more stringent performance requirements and cost control requirements for new energy vehicles. The motor and battery modules configured for new energy vehicles will inevitably increase the curb weight of the vehicle body at this stage， which will increase the axle load. At present， the steering system of the mainstream new energy vehicles in the domestic market is equipped with the power steering system， which is in the form of EPSdp or EPSapa. This makes the structural form of upper steering column is mechanical column or electric regulating column. Due to cost reasons， the proportion of electric regulating column in new energy vehicles is still not high， and the mechanical column is the main structural form. With the rapid development of new energy vehicles， the demand for low cost and high performance mechanical pipe string in the automobile industry is increasing. The development cycle and product performance of low cost pipe string are facing more and more severe tests. In this paper， the optimization method of low order modal performance of low cost mechanical string is studied through a development case of low cost mechanical string.

Key words：Low-cost mechanical string， Natural frequency， finite element calculation

1 引言

轉向管柱是汽車轉向系統中重要的組成環節，其基本作用是將方向盤的轉動通過轉向機傳遞到輪轂上，起到控制汽車轉向的作用[1]。在新能源汽車快速發展的大背景下，低成本、高性能的機械管柱開發，對于整個汽車產業零部件來說至關重要。

本文以自主設計的低成本、高性能管柱案例，討論與乘用車駕駛感受關系緊密的低階固有頻率的一系列優化方法。本低成本管柱主要結構包括：（1）轉向軸小總成，其作用為直接傳遞方向盤的扭矩到轉向機。（2）夾緊調節機構，其作用為開關手柄調節轉向管柱相對駕駛員的空間位置。（3）潰縮機構，其作用是當汽車發生碰撞時，可以使管柱尺寸縮短以避免方向盤碰撞駕駛員。（4）上下柱管小總成。

2 低階固有頻率優化方案

2.1 夾緊支架開槽優化方案

夾緊支架在轉向管柱起到整車上安裝點以及夾緊管柱，保持管柱軸向和徑向鎖緊的作用。為了提高夾緊機構的夾緊效率，提升管柱的低階固有頻率及剛度，夾緊支架通常會做開槽等特征，使得夾緊支架在被手柄夾緊時可以更容易變形。本案例對已有的開槽特征進行優化，從“I”形槽有華為“L”形槽，進一步提升支架的變形效率。

夾緊支架開槽特征要注意避免與齒條等周邊件干涉。

2.2 夾緊區域面積優化方案

除了夾緊支架夾緊時變形效率外，可以通過增大夾緊支架與下柱管接觸面積的方式，增大夾緊機構的夾緊效率，使得相同的手柄移動行程，管柱整體可以抱得更緊。

2.3 上下柱管重合面積優化

管柱在軸向各個不同的調節位置，上柱管與下柱管均有一定的重合區域，在滿足潰縮距離以及其他幾何干涉前提下，可以通過增長上柱管長度來增大上下柱管重合區域，使得管柱鎖緊具有更大的抱緊接觸面積，以提升管柱的低階固有頻率。

2.4 下柱管增加內側開槽方案

通過經驗匯總發現，管柱低階固有頻率偏低，通常是主體的柱管變形效率不足，直接影響管柱的變形效率，管柱鎖緊時管柱抱緊效率低，導致低階固有不頻率不足。因此，在下柱管內壁較厚處增加開槽的特征，旨在增加機械柱管手柄鎖緊時的抱緊效率，以提升低階固有頻率。

3 基于ABAQUS的有限元計算驗證

本文基于Hypermesh及ABAQUS有限元仿真計算軟件聯合仿真計算，通過以上設計方案的三維幾何模型的輸入，對低成本管柱的低階模態進行計算。

3.1 邊界條件設定

低成本機械管柱模態邊界條件：使用重量為3.5kg的方向盤同比例質量點，在距離管柱Gauge line軸線方向外側77.8mm處施加外載荷。對質量點施加水平和垂直的外界激勵載荷，通過計算得出水平（1階）和垂直（2階）模態的固有頻率值。

3.2 優化前低成本管柱低階模態

3.3 優化前后成本管柱低階模態

基于CAE計算優化后的1、2階固有頻率云圖如下所示：

通過優化后的低成本機械管柱低階固有頻率的CAE計算，可以看出低階固有頻率在名義和極限位置、在水平和垂直方向均有明顯的提升。

4 結束語

按照目前汽車行業標準，機械管柱低階模態在水平和垂直方向上的要求：＞50Hz即可。根據表1可以看出，該低成本機械管柱已達到目前主流的要求，但是隨著汽車行業的發展，各項性能參數要求均在提升，低階模態要求亦是如此。因此，對于低階固有頻率的優化是勢在必行的。

本文旨在通過一款自主設計的低成本機械管柱的案例，通過四種不同的優化結構方案來拓展提升機械管柱的低階固有頻率性能方法。當然，在本文列舉方法之外，仍然存在許多不同方式的優化方案，例如優化機械管柱零部件之間的裝配尺寸公差等方法。

參考文獻：

[1]方景燦. 汽車轉向系統原理及故障排除方法分析[J].時代汽車，2021（08）：179-180.