汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性分析

王麗娜，王淑芬，李玉光，梁長飛

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 前言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車上用來改變或恢復(fù)行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，其功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向[1]。它承受來自路面的沖擊，同時傳遞來自方向盤的轉(zhuǎn)向力和力矩，對汽車的行駛安全性、舒適性和操縱穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過對其進(jìn)行模態(tài)分析，了解其頻率和振型，可以避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，也可以為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考及理論指導(dǎo)[2]。

ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析與一體的大型通用有限元分析軟件。它包含了預(yù)處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊。它將有限元分析技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具[3]。

1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型的建立

1.1 汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是由方向盤、轉(zhuǎn)向柱、萬向節(jié)、傳動軸、齒輪、齒條、拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)等組成。轉(zhuǎn)向器一般固定在汽車車架或車身上。如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實體模型

1.2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡化

建立模型過程中，通常以方便有限元分析又保持其力學(xué)特性為基本尺度，對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，簡化過程應(yīng)滿足以下要求[4]：

（1）足夠的準(zhǔn)確性，模型必須要能反映工程中需要的主要力學(xué)特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)架的受力狀況、形狀和結(jié)構(gòu)的一致性、支撐情況和邊界約束條件的一致性。

（2）良好的經(jīng)濟(jì)性。一般來說，較復(fù)雜的模型會有較好的準(zhǔn)確性，但復(fù)雜模型會花費更多的時間、人力、物力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而使計算費用大大增加。

選用三維建模功能強(qiáng)大的PROE5.0 軟件作為幾何模型建模工具。遵循簡化要求，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維模型，在建模過程中去掉一些復(fù)雜的的導(dǎo)角、圓角、孔和一些對模型力學(xué)性能影響不大的零部件。其簡化后的模型如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

1.3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型的建立

利用ANSYS 軟件與PROE 軟件的數(shù)據(jù)接口，將簡化三維模型導(dǎo)入到ANSYS 中，如圖3 所示。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡化模型主要有兩種材料組成，材料特性如表1 所示，網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分方法，采用solid 45 單元類型[5]。

圖3 導(dǎo)入ANSYS 后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

表1 各部件材料特性

2 動態(tài)分析

在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析時，根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，對轉(zhuǎn)向節(jié)的上下主銷孔全約束，限制齒條X、Y 兩個方向的位移。計算頻率范圍為0~10000 Hz。系統(tǒng)的模態(tài)提取數(shù)和擴(kuò)展模態(tài)的數(shù)目設(shè)置為3。由于對運(yùn)動起主導(dǎo)作用的只是前幾階模態(tài)，且階數(shù)越高，誤差越大[6]。所以在分析時，只選取系統(tǒng)結(jié)果的前三階固有頻率及其對應(yīng)的振型。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)振型如圖4~6 所示，振動頻率如表2 所示。

圖4 系統(tǒng)的一階模態(tài)振型

圖5 系統(tǒng)的二階模態(tài)

圖6 系統(tǒng)的三階模態(tài)振型

表2 模態(tài)頻率表

從振型圖和表2 中可以看出，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在第一階振型中振動幅度較小，只有部小幅度的振動，稱之為局部模態(tài)，其頻率為25.52 Hz。在第二階振型中，方向盤及傳動軸發(fā)生了前后或左右的振動，其頻率為31.34 Hz。在第三階振型中，方向盤及傳動軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，其頻率為40.92 Hz。

路面激勵、車輪不平衡激勵和發(fā)動機(jī)激勵是汽車激勵的主要形式。當(dāng)汽車在正常路面上行駛時，路面對汽車的垂直路面激勵頻率，一般為11 Hz，在較好的路面上低于3 Hz 以下，在不好的起伏路面可能會達(dá)到20 Hz[6]，對照表2 可知該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般不會與路面發(fā)生共振；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11 Hz，對照表2 可知該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般也不會與車輪發(fā)生共振；汽車在怠速、正常行駛和加速等不同工況下的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不同，發(fā)動機(jī)的激振頻率也不一樣。怠速工況下發(fā)動機(jī)的激振頻率為20 Hz 左右，正常行駛工況下發(fā)動機(jī)的激振頻率為100 Hz 左右[7]，對照表2 可知該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階振動頻率與發(fā)動機(jī)在怠速工況下的激振頻率相接近，可能會對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)造成破壞，這種情況可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的支架寬度或?qū)D(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法來增加該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階振動頻率。

3 結(jié)論

（1）通過PROE5.0 和ANSYS 軟件相結(jié)合，建立了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維模型和有限元模型。

（2）通過有限元法對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，提取它們的前三階固有頻率和振型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前三階固有頻率的范圍為25.52~40.92 Hz。第一階陣型的振動幅度較小，第二階振型為方向盤和轉(zhuǎn)向軸左右或前后抖動，第三階固有振型為方向盤和轉(zhuǎn)向軸扭轉(zhuǎn)變形。

（3）研究結(jié)果顯示該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階固有頻率過低與發(fā)動機(jī)怠速下的激振頻率相近，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在怠速下容易發(fā)生轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的共振。

[1] 吳社強(qiáng), 吳政清, 姜斯平. 汽車構(gòu)造[M]. 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2003: 327-329.

[2] 王成華, 孟廣耀, 周忠偉. 基于ANSYS 汽車轉(zhuǎn)向柱的模態(tài)分析[J]. 工程技術(shù), 2012(12): 261-262.

[3] 宋劍鋒. 詳解ANSYS 有限元分析[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2012: 07.

[4] 張平, 雷雨成, 高翔, 等. 轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車技術(shù), 2006(4): 5-9.

[5] 尚小江, 邱峰, 趙海峰. ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M]. 第2 版. 北京: 水利水電出版社, 2008: 1-5.

[6] 郭雷. 基于ANSYS 汽車前橋的模態(tài)分析[J]. 裝配制造技術(shù), 2012(9): 12-15.

[7] 李學(xué)修. 輕卡車身模態(tài)分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 上海: 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007.