低成本机械管柱低阶固有频率优化方法研究

陈晓涛　董亚旗　王惠　赵文涛　赵士伟　徐浩然

摘 要：新能源汽车行业推动着中国汽车行业快速发展，随之而来的是对新能源汽车更加严苛的性能要求和成本控制要求。新能源车型配置的电机、电池模组在现阶段不可避免的增加车身整备重量，使得车桥负载增大，目前国内市场主流的新能源车型转向系统助力配备在转向机，结构形式为EPSdp或者EPSapa。这使得转向管柱搭配的结构形式主要为机械管柱或者电动调节管柱，因成本原因，目前电动调节管柱在新能源汽车配备的比例仍然不高，而机械管柱是主要的结构形式。随着新能源车汽车的快速发展，低成本、高性能的机械管柱在汽车行业的需求数量越来越高，低成本管柱的开发周期、产品性能面临越来越严峻的考验。本文通过一款低成本机械管柱的开发案例，对低成本管柱低阶固有频率性能优化的方法进行研究。

关键词：低成本机械管柱 固有频率 有限元计算

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

轉向管柱是汽车转向系统中重要的组成环节，其基本作用是将方向盘的转动通过转向机传递到轮毂上，起到控制汽车转向的作用[1]。在新能源汽车快速发展的大背景下，低成本、高性能的机械管柱开发，对于整个汽车产业零部件来说至关重要。

本文以自主设计的低成本、高性能管柱案例，讨论与乘用车驾驶感受关系紧密的低阶固有频率的一系列优化方法。本低成本管柱主要结构包括：（1）转向轴小总成，其作用为直接传递方向盘的扭矩到转向机。（2）夹紧调节机构，其作用为开关手柄调节转向管柱相对驾驶员的空间位置。（3）溃缩机构，其作用是当汽车发生碰撞时，可以使管柱尺寸缩短以避免方向盘碰撞驾驶员。（4）上下柱管小总成。

2 低阶固有频率优化方案

2.1 夹紧支架开槽优化方案

夹紧支架在转向管柱起到整车上安装点以及夹紧管柱，保持管柱轴向和径向锁紧的作用。为了提高夹紧机构的夹紧效率，提升管柱的低阶固有频率及刚度，夹紧支架通常会做开槽等特征，使得夹紧支架在被手柄夹紧时可以更容易变形。本案例对已有的开槽特征进行优化，从“I”形槽有华为“L”形槽，进一步提升支架的变形效率。

夹紧支架开槽特征要注意避免与齿条等周边件干涉。

2.2 夹紧区域面积优化方案

除了夹紧支架夹紧时变形效率外，可以通过增大夹紧支架与下柱管接触面积的方式，增大夹紧机构的夹紧效率，使得相同的手柄移动行程，管柱整体可以抱得更紧。

2.3 上下柱管重合面积优化

管柱在轴向各个不同的调节位置，上柱管与下柱管均有一定的重合区域，在满足溃缩距离以及其他几何干涉前提下，可以通过增长上柱管长度来增大上下柱管重合区域，使得管柱锁紧具有更大的抱紧接触面积，以提升管柱的低阶固有频率。

2.4 下柱管增加内侧开槽方案

通过经验汇总发现，管柱低阶固有频率偏低，通常是主体的柱管变形效率不足，直接影响管柱的变形效率，管柱锁紧时管柱抱紧效率低，导致低阶固有不频率不足。因此，在下柱管内壁较厚处增加开槽的特征，旨在增加机械柱管手柄锁紧时的抱紧效率，以提升低阶固有频率。

3 基于ABAQUS的有限元计算验证

本文基于Hypermesh及ABAQUS有限元仿真计算软件联合仿真计算，通过以上设计方案的三維几何模型的输入，对低成本管柱的低阶模态进行计算。

3.1 边界条件设定

低成本机械管柱模态边界条件：使用重量为3.5kg的方向盘同比例质量点，在距离管柱Gauge line轴线方向外侧77.8mm处施加外载荷。对质量点施加水平和垂直的外界激励载荷，通过计算得出水平（1阶）和垂直（2阶）模态的固有频率值。

3.2 优化前低成本管柱低阶模态

3.3 优化前后成本管柱低阶模态

基于CAE计算优化后的1、2阶固有频率云图如下所示：

通过优化后的低成本机械管柱低阶固有频率的CAE计算，可以看出低阶固有频率在名义和极限位置、在水平和垂直方向均有明显的提升。

4 结束语

按照目前汽车行业标准，机械管柱低阶模态在水平和垂直方向上的要求：＞50Hz即可。根据表1可以看出，该低成本机械管柱已达到目前主流的要求，但是随着汽车行业的发展，各项性能参数要求均在提升，低阶模态要求亦是如此。因此，对于低阶固有频率的优化是势在必行的。

本文旨在通过一款自主设计的低成本机械管柱的案例，通过四种不同的优化结构方案来拓展提升机械管柱的低阶固有频率性能方法。当然，在本文列举方法之外，仍然存在许多不同方式的优化方案，例如优化机械管柱零部件之间的装配尺寸公差等方法。

参考文献：

[1]方景灿. 汽车转向系统原理及故障排除方法分析[J].时代汽车，2021（08）：179-180.