汽车方向盘怠速共振的模态优化及分析

邓晓红　付勇智

摘 要：文章分析了影响方向盘怠速共振的因素，从人体工程学结论与发动机的激振频率得出了方向盘最低固有频率，利用有限元方法针对某车型方向盘怠速抖动问题，计算了方向盘优化前后的模态频率。解决方向盘怠速抖动问题。

关键词：方向盘；怠速振動；转向系统；人体工程方向盘作为用户与汽车直接接触的部件，其在安全性、舒适性等方面影响着用户对汽车整体性能的评价，应用有限元方法在产品设计阶段分析计算车型方向盘的模态频率，避免方向盘的怠速共振，进而达到提高NVH（noise噪声，vibration震动，harshness平稳舒适性）性能和减轻系统重量、及安全性的目。

1 方向盘的怠速共振及强度

汽车方向盘作为转向系统中的操作部件，避免怠速时方向盘共振引起的方向盘抖动，是汽车方向盘设计的重要目标。方向盘震动直接影响驾驶员的心情，进而会危及驾驶安全，人体工程学理论认为人体主要部位的共振频率为：头部为8～12Hz，眼球为2～3Hz，内脏为4～6Hz，肢体为10～12Hz；因此，低频共振很容易使乘员产生疲劳，影响乘车与驾驶安全。怠速振动主要是由发动机怠速工况下的二阶往复惯性力激励产生，其频率与车辆搭载的发动机汽缸数和怠速转速有关。四缸发动机的激振频率一般为20～35Hz，六缸一般为30～37.5Hz。上述数据说明，为避免方向盘的怠速共振，转向系统中方向盘的上下、左右振型的振动频率最好高于发动机的激振频率。

2 方向盘模态频率的主要影响因素

汽车车身抖动都会传递给方向盘，运动部件及路面的不平衡都是引起车身抖动的激励源：（1）冷却风扇的不平衡力；（2）排气系统的激励力；（3）发动机的不平衡力、弯矩和转矩引起的激励力；（4）轮胎的阶次力；（5）传动系统不平衡力等。现代汽车设计，整车设计与零部件设计是分别完成的，整车制造是依据整车性能要求选配零部件，当样车试制出来以后，一旦发现方向盘抖动问题时，由于受到其他性能的限制，往往不会更改诸如发动机转速、冷却风扇的转动频率、排气系统的模态频率等，而是选择优化方向盘的结构来克服方向盘的抖动。一般来说，影响方向盘振动的转向系统的模态因素主要与转向系统的惯量、刚度有关，方向盘及安全气囊的质量越小越好，方向盘到转向支撑梁的距离L越短越好，转向柱上下安装点到转向支撑梁的距离（A+B）越大越好。

3 实例分析

3.1 问题提出：针对国内开发中后期的某车型为例，经主观感受和试验测试发现，方向盘在怠速时有明显的抖动，需要对本车转向系统的结构进行改进，以提高系统的振动模态；为有效的改善此问题，我们从产品数据库中选取2款对标样车方向盘进行对比模态分析，快速找出方向盘的薄弱环节，以便制定改进方案。

3.2 关键部位结构对比：因方向盘质量分布是影响转向系统模态频率的主要因素，也是设计时需要着重考虑的问题，通过测量及结构分析，结果如表1所示：

表1

3.3 模态频率分析

模态分析可以通过有限元分析和实验两种手段实现，利用有限元技术可以掌握结构设计上的薄弱区域，实验结果可以校核模态分析的正确性；本例中，对方向盘进行模态分析时，先要建立转向系统三维UG模型，所有部位之间按实际情况进行连接，边界条件和约束按实际情况进行模拟，导入到HYPERMESH中，划分为2*2mm，局部加密的网格，按实际情况定义单元属性以及连接、力和约束的施加等工作，最后导入到有限元ansys软件中，进行模态计算，得到的三款方向盘频率见表2所示：

表2

表2中，得到对振动影响较大的方向盘模态：垂直方向模态（上下振动），也是本款方向盘的一阶约束模态27.8Hz太低，而A款和B款方向盘一阶约束模态较好；横向模态为43.5HZ，纵向模态为57.7Hz（注：在模态分析中没有加入电器和线束重量，因此加入电器等重量，模态还会降低）。因本车与A、B两款对标样车发动机怠速频率相同，且A、B两款方向盘在发动机怠速时无抖动现象，所以提高方向盘的垂直固有频率使其避开发动机的激励频率，是避免怠速抖动的有效方法，本例中可参考A款和B款方向盘结构制定改进方案。

3.4 改进方案的制定

为提高转向系统的模态频率、优化抗振能力，改进方案为提高方向盘的动刚度。转向系统在动态力的作用下，动刚度越大，振动量越小；反之，动刚度越小，振动量越大。提高方向盘的动刚度主要措施有：（1）改善方向盘的静刚度和固有频率，从构件的截面轮廓尺寸和截面形状，构件的壁厚以及孔的尺寸和布置来考虑，同时减轻构件质量，提高其固有频率，避开共振频率；（2）改善方向盘的阻尼特性。

本例中，参考现有的B款方向盘制定具体改进优化方案为：（1）采用改变外缘截面尺寸的方法，在降低外圈质量的同时，提高方向盘外圈的动刚度。把外缘的圆钢由实心改为空心钢管，根据钢管的壁厚和半径，设计圆管直径为14mm，壁厚为2mm，轮圈质量减小49%。（2）把轮辐和轮圈相连的圆角增大。

优化后，方向盘的一阶固有频率值有了很大的提高，转向系统的振动频率已经达到35Hz以上，避开了发动机的激振频率，达到了设计目标的要求。在提高模态频率的同时，优化部件的总质量还有所减小。经过试验测试，方向盘的抖动已经在目标值范围内，主观感觉无明显抖动。

4 结束语

文章以某车型的方向盘为实例，探讨了提高方向盘抖动频率从而避免怠速共振的模态优化方法，本方法能在达到目标频率要求的前提下合理分配零件质量节约材料，有效的提高汽车NVH性能并节约开发时间和成本，使改进后的方向盘抖动达到了汽车舒适性的性能要求。

作者简介：邓晓红（1974-），女，湖北省十堰市，工程师，本科，研究方向：汽车内饰件设计。