某新型轻卡转向系统模态对标及优化研究

申一方，喻肇斌，邹添

某新型轻卡转向系统模态对标及优化研究

申一方，喻肇斌，邹添

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330000）

转向系统模态控制是整车NVH开发的重要内容。文章针对某新型轻卡的怠速方向盘抖动问题，讨论了转向系统有限元模型的准确度影响因素，并与实测的方向盘频响曲线做对比。在模态及应变能分析结果上探讨了模态提升的主要方向，在此基础上优化转向系统主要部件，取得了较好效果。文章提供的转向系统模型对标及优化方法具有指导意义，对类似工程问题也有一定参考价值。

转向系统；模态；方向盘；对标；优化

1 引言

某新型轻卡装车后主观驾评发现怠速方向盘抖动，方向盘频响曲线测试结果显示Y向在28.75Hz处有峰值，如图1所示。该轻卡为直列四缸柴油机，怠速转速800 r/min，则发动机主要激励频率为二阶26.6Hz。综合测试与发动机怠速二阶激励频率结果，方向盘怠速抖动的原因是转向系统Y向模态与发动机怠速二阶频率过于接近[4-5]。根据NVH的模态分离原则，需要提升该轻卡转向系统模态以避开发动机怠速频率。

2 模型搭建

转向系统主要由CCB（仪表板横梁）、转向管柱、方向盘三个部分组成[6-7]。建模主要在hypermesh的nastran的模块下进行[8-10]。网格类型冲压件采用抽中面画四边形，铸造件画四面体，并转二阶。CCB由主横梁与若干纵梁组成，横梁与纵梁的焊接由点对点的RB2连接。转向柱可在转向管中转动，两者之间放开转动自由度。方向盘只画出机械骨架，其余质量通过修改骨架材料密度方式配入方向盘。所有的螺栓连接皆使用RB2模拟。建立好的转向系统模型如图2所示。

图1 方向盘加速度频响曲线Y向测试结果

图2 转向系统有限元模型

将转向系统与截断的白车身连接，并约束阶段位置，计算得到的转向系统模态结果如图3所示，Y向模态30.15Hz。

图3 某轻卡初始状态转向系统Y向模态：30.15Hz

3 模型对标

图3中计算得到的转向系统模态结果与测试结果对比相差较大，说明有限元模型需要再修改以更接近实际状态。

（1）质量对比

分别计算CCB、转向管柱、方向盘的质量并与数模质量对比，结果如表1所示。

表1 某轻卡转向系统部件有限元质量与数模质量对比

每个部件的有限元质量与数模质量差距在经验值5%以内，符合要求。

（2）方向盘建模方式

《卜算子》中六字句的使用主要集中在词的上、下各片结句处，用读隔开。皆是在苏轼《缺月挂疏桐》正格上添字所造成的变体，如杜安世的《卜算子·深院花铺地》上下片的结句。

该轻卡方向盘无气囊，主要由骨架、发泡材料、上盖、下盖、线束组成，其中骨架又由钢、铝两部分焊接在一起。传统建模方法将骨架建出，其他材料通过修改骨架材料密度体现。但是方向盘的实际质量分布比较复杂，各部分不平均地分布在骨架上。为了使方向盘模型更贴近实际情况，骨架材料设为标准的钢、铝，发泡材料、上盖、下盖、线束的质量按实际情况配在骨架上，如图4所示。

图4 修正后方向盘模型

（3）点火锁与组合开关的影响

该轻卡的点火锁与组合开关都安装于转向管柱上部靠近方向盘处，经过与负责工程师咨询该两个零件总重1.3kg，可能对转向系统模态有较大影响。将二者简化为两个集中质量点，使用RBE3固定在转向管柱上，如图5所示。

图5 点火锁与组合开关有限元模型

（4）螺栓连接方式

一般的螺栓连接主要抓取所有节点生成RB2的方法，但此种方法偏硬，导致模态偏高。为了贴近实际，采用RB2加beam的方式模拟螺栓连接，如图6所示。

图6 CCB与转向管柱纯RB2（左）与RB2加beam（右）连接方式

从以上四方面修改模型后计算的模态及应变能结果见图7，二阶模态与实测的方向盘加速度频响曲线基本吻合，证明模型准确度高，可用于优化。

图7 模型修改后Y向模态计算结果：28.26Hz

4 模态优化

初始状态的转向系统Y向模态与发动机怠速二阶频率接近，需提升1至2Hz避开。提升模态主要可以从三个方面考虑：质量因素，同等条件质量越小，模态频率越高；弹性模量因素，弹性模量越大，模态频率越高；刚度因素，同一构件刚度越大模态频率越大[11-12]。具体到该轻卡转向系统，大部分部件材料为钢，大范围更改材料即更改弹性模量不太容易实现，所以主要考虑质量和刚度的优化。

（1）减小部件质量[13-14]

CCB、转向管柱、方向盘中，方向盘具有减重空间。现方向盘骨架由钢和铝两部分焊接而成。钢的密度大于铝，如果钢换成铝，方向盘的质量将下降，进而提升模态。方向盘骨架材料全部改为铝后，质量减轻0.842kg，模态结果见图8。

图8 方向盘优化后转向系统Y向模态：31.30Hz

（2）提升部件刚度[15]

由图7的应变能云图可看出，CCB与转向管柱连接支架、转向管柱与白车身连接车架应变能较大，说明这两个支架刚度偏低，需加强。综合考虑后，将CCB与转向管柱连接支架加焊一块钢板，做成近似盒装，增重0.278kg，如图9所示；转向管柱与白车身连接支架加厚至4mm，增重0.819kg。优化后的转向系统Y向模态见图10。

图9 CCB转向管柱连接支架原状态（左）与优化后（右）

图10 支架优化后转向系统Y向模态：30.11Hz

质量优化及刚度优化两种方案效果汇总见表2，两种方案均有效提升了转向系统模态频率。

表2 优化结果汇总

5 总结

本文以实测的方向盘频响曲线为参考，建立了转向系统模态分析模型，并从四个方面提升有限元模型的准确性，并从两个方面提出优化方案提升模态频率。由上文的对标及优化过程可得出以下结论：

（1）部件质量、方向盘、点火锁和组合开关、螺栓是影响转向系统模态分析结果准确度的重要因素。采用本文建议的建模方式可显著提升模型准确度，更接近实际情况。

（2）提高转向系统模态可以从减小系统质量，提升关键部件刚度两方面考虑。文中给出的两种优化方案可以明显提升转向系统模态。此两种优化思路可用于解决类似的工程问题。

（3）优化方案2中，CCB与转向管柱连接的“盒装”支架，可作为内饰设计中的保证转向系统模态的基础设计。

[1] 刘显臣.汽车NVH综合技术 [M].北京:机械工业出版社,2014.

[2] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动—理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[3] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京:机械工业出版社,2015.

[4] 谭祥军.从这里学NVH:噪声、振动、模态分析的入门与进阶[M].北京:机械工业出版社,2018.

[5] 沃德·海伦,斯蒂芬·拉门兹,波尔·萨斯.模态分析理论与试验[M].白化同,郭继忠,译.北京:北京理工大学出版社,2001.

[6] 陈新亚.汽车为什么会跑.图解汽车构造与原理[M].北京:机械工业出版社,2016.

[7] 陈家瑞.汽车构造（下册）[M].北京:机械工业出版社,2009.

[8] 王钰栋,金磊,洪清泉,等.Hypermesh&HyperView应用技巧与实例[M].北京:机械工业出版社,2012.

[9] 付亚兰,谢素明.基于Hypermesh的结构有限元建模技术[M].北京:中国水利水电出版社,2015.

[10] 闫思江.Hypermesh网格划分技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2019.

[11] 刘显臣.汽车NVH性能开发[M].北京:机械工业出版社,2017.

[12] 林逸,马飞天,姚为民,等.汽车NVH特性研究综述[J].汽车工程, 2002,24(3).

[13] 孔祥梅,汤佳云,李艳华.关于汽车转向系统的模态分析与建议[J].企业科技与发展,2014,(19).

[14] 徐伟,戴云.基于模态分析的转向系统怠速振动优化[J].轻型汽车技术,2013,(9).

[15] 汪东斌,姜建满.某轿车转向系统模态灵敏度分析优化及验证[J].汽车仿真与测试,2018,(5).

Research of Calibration and Optimization on Steering System Modal of a New Type Light Truck

Shen Yifang, Yu Zhaobin, Zou Tian

（Jiangling Motors Co. Ltd, Jiangxi Nanchang 330000）

Steering system modal is one of important parts for full-vehicle NVH development. In the view of vibration of steering wheel used by a new type light truck, the influence factors of the accuracy of steering system’s finite element model are discussed, and compared with FRF curve of steering wheel testing. Points out the measures to improve frequency based on the analysis of modal and strain energy, then optimizes the main parts, achieves better results. The calibration and optimization methods provided by this paper have directive significance, also have certain reference value to similar engineering problems.

Steering system; Modal; Steering wheel; Calibration; Optimization

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.018

U463.4

A

1671-7988(2021)02-55-04

U463.4

A

1671-7988(2021)02-55-04

申一方（1988-），男，河北邯郸人，硕士研究生，中级工程师，就职于江铃汽车股份有限公司，现主要从事整车NVH开发工作。