某SUV的轉向系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化設計

張冰天

眾泰汽車工程研究院 浙江省杭州市 310000

隨著CAE技術的飛速發(fā)展，利用CAE分析技術進行仿真分析來考核汽車構件的強度、振動特性和耐久性等已經在現代汽車設計和分析中得到廣泛的應用。成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主導技術，在提高工程/產品的設計質量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期方面都發(fā)揮了重要作用，成為實現工程/產品創(chuàng)新的支撐技術。轉向系統(tǒng)是汽車底盤中的一個重要部分，其性能直接影響到汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，且其對汽車NVH性能影響很大[1]。駕駛員對方向盤的振動最為敏感。因此，利用有限元方法分析轉向系統(tǒng)的模態(tài)，并基于優(yōu)化方法使之避開發(fā)動機的頻率，同時減輕轉向系統(tǒng)重量，既能縮短開發(fā)時間又能減少成本，轉向系統(tǒng)模態(tài)分析的目的是確定用以描述轉向系統(tǒng)結構系統(tǒng)特性的固有頻率和振型等模態(tài)參數。為避免方向盤的怠速共振，要求轉向系統(tǒng)中方向盤的上下、左右振型的振動頻率高于發(fā)動機的怠速激振頻率。

轉向系統(tǒng)是駕駛員平時密切接觸的系統(tǒng)，只要汽車在行駛，駕駛員無時無刻不在接觸方向盤，方向盤抖動問題也成為NVH問題中最為重要的問題之一，經研究，一般轉向系統(tǒng)模態(tài)≥35Hz[2]，相應的方向盤抖動問題就會明顯減少，在得到合理的幾何結構后，轉向系統(tǒng)零件的厚度成為影響模態(tài)頻率的主要因素。如何合理的分配零件厚度，達到既能滿足NVH性能要求，又能保證系統(tǒng)的質量較輕成為接下來考慮的問題。本文主要研究某SUV轉向系統(tǒng)模態(tài)提升方案。

1 轉向系統(tǒng)的模態(tài)現狀

1.1 轉向系統(tǒng)的模型描述

轉向系統(tǒng)的模型包括方向盤、轉向管柱及支架、駕駛員安全氣囊，儀表板橫梁、轉向助力電機、主儀表板、副儀表板，空調系統(tǒng)、儀表板橫梁。

1.2 轉向系統(tǒng)的邊界條件

轉向系統(tǒng)為安裝在白車身狀態(tài)。

1.3 轉向系統(tǒng)模態(tài)

上述模型安裝在白車身上進行計算得轉向系統(tǒng)的橫向模態(tài)為33.95Hz，垂向模態(tài)為35.78Hz，如圖1、2所示：

圖1 轉向系統(tǒng)橫向模態(tài)

2 優(yōu)化分析

2.1 確定優(yōu)化方案

由圖可知應變能集中在：

（1）轉向管柱與儀表板橫梁的搭接板。

（2）轉向管柱的兩個支架。

（3）轉向管柱下端的連接支架。

對轉向系統(tǒng)中應變能集中的幾個部件的厚度進行優(yōu)化，優(yōu)化方案如圖3、4所示：

（1）將轉向管柱與儀表板橫梁的搭接板由1.2mm調整為2.0mm。

（2）將轉向管柱的兩個支架厚度分別由2.0mm調整為3.2mm，2.0mm調整為3.0mm。

（3）將轉向管柱下端的連接支架厚度由2.0mm調整為3.0mm。

2.2 優(yōu)化結果

優(yōu)化后的轉向系統(tǒng)橫向模態(tài)為 35.04Hz比原狀態(tài)提升了1.09Hz，垂向模態(tài)為37.60Hz，比原狀態(tài)提升了1.82Hz，且優(yōu)化后≥35Hz，滿足目標要求。優(yōu)化后的結果如圖5、6所示：

圖2 轉向系統(tǒng)垂向模態(tài)

圖3 轉向系統(tǒng)應變能示意圖

圖4 優(yōu)化方案示意圖

圖5 轉向系統(tǒng)橫向模態(tài)（優(yōu)化后）

圖6 轉向系統(tǒng)垂向模態(tài)（優(yōu)化后）

3 結語

本文通過Hypermesh建立轉向系統(tǒng)有限元模型，利用Nastran求解器對某SUV的轉向系統(tǒng)模態(tài)進行仿真分析，找到該車型轉向系統(tǒng)的薄弱部位，并對其進行優(yōu)化。使得轉向系統(tǒng)模態(tài)達到目標值35Hz。從而有效地避免了方向盤抖動的問題。