汽车转向操纵机构的模态试验分析与应用

廖梦楠

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)



汽车转向操纵机构的模态试验分析与应用

廖梦楠

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

模态分析与试验技术在汽车行业的应用日益广泛，为汽车零部件乃至整车动态特性分析提供了有效的手段。而转向管柱总成作为汽车转向系统的最基本组成部分之一，是决定汽车行驶安全性与可靠性的关键部件。通过大量的试验数据支撑，介绍了汽车转向操纵系统的几种模态试验，包括振动耐久试验、共振频率测定、动刚度测试，对比分析了测试产品共振频率的两种试验方法。

转向管柱；模态分析；振动；共振频率；动刚度

0　引言

方向盘、转向管柱、转向传动轴等构成了汽车转向操纵机构，它是将驾驶员作用在方向盘上的力矩传递到转向器的装置，对汽车的行驶安全性与可靠性起着至关重要的作用。 随着汽车产业的飞速发展，人们越来越关注此类安保件的设计性能和质量要求。其中，对转向操纵机构的模态分析则成为了保证和提高产品质量的重要手段。汽车转向操纵机构是一个无限多自由度的振动系统，在外界时变激励作用下将产生振动，当外界激振频率与系统固有频率接近时将产生共振。因此，如果转向操纵机构的一阶模态频率过低，与发动机的怠速频率重合就会产生共振；而持续长时间的振动则容易导致零件松动，影响汽车操纵性。为了避免产生共振、降低噪声、确保汽车安全可靠、提高其行驶平顺性，模态试验不仅是结构动态设计性能优化及故障诊断的重要方法，同时，更为性能评估提供了一个强有力的工具。

1　模态分析理论

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态均有其特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，而这样一个计算或试验分析的过程称为模态分析。模态分析的解析可采用有限元等方法计算实现。模态试验则是对被试机构进行可测可控的动力学激励，同时测量系统的输入和输出信号,并对其进行数字处理,得出被测机构的频响函数或脉冲响应函数,从而求得一系列机构固有的动态参数。

模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数，为各类零部件的振动特性分析、故障诊断以及结构动力特性的优化设计提供有效依据。而进行模态试验所受影响因素很多，为了得到更精准的数据，首先就要保证各试验点选取的合理性和最优性。

1.1最佳悬挂点

模态试验时，一般希望将被测系统的悬挂点选取在其振幅较小的位置，所以最佳悬挂点应该是系统某阶振型的节点。

1.2最佳激励点

测试的最佳激励点由被测系统的振型决定。若为单阶振型，则应选取其最大振幅点；若为多阶振型，则所选取的激励点处各阶的振幅都不应小于某一固定值；如果是需要多能量激励的结构，则应考虑多选取几个激励点。

1.3最佳测量点

模态试验要求测量点所获得的信息有尽可能高的信噪比，因此测量点不应该靠近节点。在试验的最佳测量点，系统的ADDOF(Average Driving DOF Displacement)值应该较大，一般可采用EI(Effective Independance)法确定最佳测量点。

2　汽车转向操纵系统的振动模态试验

随着汽车技术的进一步发展，国内厂家对NVH越来越重视，转向系统影响驾驶员操作的最直观感受，因此对转向管柱的模态分析也在进一步的研究当中，标准QC/T 649-2013《汽车转向操纵机构 性能要求及试验方法》中制定了振动耐久和共振频率的测定方法。以下对相关项目试验过程及结果进行解析。

2.1振动夹具设计

振动台夹具是振动台上用以固定被试件的关键结构件，首先应满足被试件的安装要求，其次为了能在试验频率范围内对被试件开展振动试验，其结构模态应有尽量高的固有频率，即夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，同时应避免与试件发生共振耦合。

2.2振动耐久试验

2.2.1试验条件

把转向管柱用夹具安装成实车状态，固定在加振器上，见图1，根据图纸标注规定的扭矩下限值紧固安装支架和下固定支架；转向轴安装实车转向盘或等效惯性盘、组合开关、转向锁等部件；转向管柱上下方向的加速度±2.5g；频率不小于10 Hz，上下方向加振一次为一个循环，进行1×106次循环。

图1　振动耐久安装示意图

2.2.2试验过程及目的

测试设备：D-300-3电磁振动台。

试验过程通过激振台模拟实车频率对转向操纵系统进行激振，用加速度传感器采集信号，如图2所示。

通过振动耐久试验对各部件在汽车长期性颠簸行驶过程中的可靠性进行考核，从而优化系统的疲劳寿命设计，防止行车过程中零部件的松动、破裂造成危险，进一步提高汽车的操纵稳定性及安全性。

图2　振动耐久

2.3共振频率测定

可以通过对转向管柱共振频率的检测来判定它是否会在汽车怠速或高速行驶阶段产生共振而使方向盘振动强烈，从而带来安全隐患。标准规定的共振频率测定方法有两种：一种是扫频法，另一种是锤击法。

2.3.1扫频法

把转向操纵机构用夹具安装成实车状态，根据图纸标注规定的扭矩下限值紧固安装支架和下固定支架；转向轴安装实车转向盘或等效惯性盘、组合开关、转向锁等部件。施加扫频频率, 测量点在转向盘上。

测试设备：D-300-3电磁振动台。

试验通过扫频的方式，选取共振点，即为系统的共振频率。

扫频是在振动试验台上进行，但是由于转向管柱是长杆件，做相关夹具时以及找安装中心就显得比较复杂，可能有时候需要加配重块才能完成，因此在测量准确性、数据重复性上均存在一定的差异，图3、图4为两次对同一产品扫频的试验结果。

图3　共振频率(52.5 Hz)

图4　共振频率(59.8 Hz)

2.3.2锤击法

把转向操纵机构用夹具安装成实车状态，根据图纸标注规定的扭矩下限值紧固安装支架和下固定支架；转向轴安装实车转向盘或等效惯性盘、组合开关、转向锁等部件。沿转向盘上端垂直于转向轴施加敲击载荷,测量点在转向盘上，见图5。

图5　锤击法安装示意图

锤击法是将整个转向操纵系统按实车安装状态固定，用敲击的方式来获得固有频率。整个测试系统包括激振系统(1个力锤)及信号采集系统(含3个加速度传感器)。在整个被测系统中，判断方向盘为最薄弱环节，因此应将其中一个加速度传感器布置在方向盘上作为主测点，另外两个加速度传感器分别布置在转向管柱及安装夹具上，作为监测点，以确保系统采集频率为最低固有频率。锤击法测共振频率实验场景见图6。

测试结果跟敲击的力量、敲击人有一定的关系，图7、图8为两次对同一产品锤击的试验结果，数值非常接近。

通过以上2种测试方式可以看出：锤击法测定共振频率的效果比扫频法好，重复性更高，操作简单，夹具设计也比较方便。

图6　锤击法测共振频率

图8　共振频率(52.368 Hz)

3　转向管柱总成动刚度测试

另一种关于转向管柱的模态试验则是测试其动刚度。动刚度是动载荷下抵抗变形的能力，动刚度不足将对零部件疲劳寿命和整车乘坐舒适性产生非常不利的影响。

3.1试验条件

将转向柱固定到底板或贡架上，底板、机架等不应与测定对象频率(0～100 Hz)发生共振。测定激振点响应声质量等于加振点振动加速度除以激振力。

激振方法：冲击激振(使用橡皮锤)；

测定频率：0～100 Hz，Δf=0.25 Hz；

激振位置：见图9；

激振方向：转向柱垂直方向、横向；

平均测定次数：不少于10次。

由测出的激振点声质量读取等价动刚度。

当频率为20～30 Hz时，利用此时的声质量按下式换算为动刚度：

式中：f为频率；I为声质量。

图9　激振位置

3.2测试设备

激励系统。采用PCB通用模态力锤，8 kHz频率范围，最大2 200 N激振力。

加速度传感器。采用丹麦B & K公司4524-B型三向智能加速度传感器，用于试验的加速度传感器数量为10支。

测试分析系统。测量分析系统包括数据采集前端、微机、分析软件。数据采集前端采集信号到微机，通过分析软件进行模态参数估计。数据采集前端采用比利时LMS SCADAS III 64通道数据采集器，分析软件采用LMS TEST.Lab。

3.3测试过程

按试验要求安装转向管柱总成(见图10)并布置加速度传感器。按图11、图12所示位置分别对管柱总成垂向及横向进行敲击。

通过采集系统采集测试数据后，用分析软件对结果进行有限元分析，图13、图14分别为某转向管柱总成垂向及横向动刚度，均满足设计要求。

图10　动刚度安装示意图

图11　垂向激励

图12　横向激励

图13　垂向动刚度(579 N/mm)

图14　水平方向动刚度(502 N/mm)

4　结论

通过夹具设计、试验台架安装布置、测试过程及结果分析等方面，详细阐述了汽车转向操纵系统的几个模态试验。从以上案例不难看出，模态试验在汽车结构动态设计评估及故障诊断等方面有着重要的作用。另外，通过对行业标准中阐述的两种共振频率测试方法进行分析比较，得出结论是锤击法在数据重复性及测试准确性方面更具有效性。

【1】QC/T 649-2014汽车转向操纵机构 性能要求及试验方法[S].

【2】傅志方,华宏星.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社,2000.

【3】华剑,周思柱.汽车转向管柱模态试验与分析[J].拖拉机与农用运输车,2010,37(1).

Analysis and Application of Modal Testing for Vehicles Steering Control Mechanism

LIAO Mengnan

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122,China)

The modal analysis and test technology is widely used in automotive industry. It provides an effective way for analyzing the auto parts and vehicle dynamic characteristics. As one of the most basic components of automotive steering system, the steering column assembly is key component which decides the vehicle safety and reliability. Through a large number of test data, several kinds of modal test for automobile steering control mechanism were introduced, including the vibration endurance test, the determination of resonance frequency, the dynamic stiffness test. Two methods for resonance frequency testing were comparatively analyzed.

Steering column; Mode analysis; Vibration; Resonance frequency; Dynamic stiffness

2016-07-22

廖梦楠(1989—)，女，学士，工程师，研究方向为汽车转向系统及电气仪表。E-mail：liaomengnan@caeri.com.cn。

U463.4

A

1674-1986(2016)08-028-05