申一方，喻肇斌，鄒添

某新型輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)對(duì)標(biāo)及優(yōu)化研究

申一方，喻肇斌，鄒添

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000）

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)控制是整車NVH開發(fā)的重要內(nèi)容。文章針對(duì)某新型輕卡的怠速方向盤抖動(dòng)問題，討論了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型的準(zhǔn)確度影響因素，并與實(shí)測的方向盤頻響曲線做對(duì)比。在模態(tài)及應(yīng)變能分析結(jié)果上探討了模態(tài)提升的主要方向，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件，取得了較好效果。文章提供的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型對(duì)標(biāo)及優(yōu)化方法具有指導(dǎo)意義，對(duì)類似工程問題也有一定參考價(jià)值。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；模態(tài)；方向盤；對(duì)標(biāo)；優(yōu)化

1 引言

某新型輕卡裝車后主觀駕評(píng)發(fā)現(xiàn)怠速方向盤抖動(dòng)，方向盤頻響曲線測試結(jié)果顯示Y向在28.75Hz處有峰值，如圖1所示。該輕卡為直列四缸柴油機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速800 r/min，則發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)頻率為二階26.6Hz。綜合測試與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階激勵(lì)頻率結(jié)果，方向盤怠速抖動(dòng)的原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Y向模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階頻率過于接近[4-5]。根據(jù)NVH的模態(tài)分離原則，需要提升該輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)以避開發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率。

2 模型搭建

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由CCB（儀表板橫梁）、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤三個(gè)部分組成[6-7]。建模主要在hypermesh的nastran的模塊下進(jìn)行[8-10]。網(wǎng)格類型沖壓件采用抽中面畫四邊形，鑄造件畫四面體，并轉(zhuǎn)二階。CCB由主橫梁與若干縱梁組成，橫梁與縱梁的焊接由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RB2連接。轉(zhuǎn)向柱可在轉(zhuǎn)向管中轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間放開轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。方向盤只畫出機(jī)械骨架，其余質(zhì)量通過修改骨架材料密度方式配入方向盤。所有的螺栓連接皆使用RB2模擬。建立好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖1 方向盤加速度頻響曲線Y向測試結(jié)果

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型

將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與截?cái)嗟陌总嚿磉B接，并約束階段位置，計(jì)算得到的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)結(jié)果如圖3所示，Y向模態(tài)30.15Hz。

圖3 某輕卡初始狀態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Y向模態(tài)：30.15Hz

3 模型對(duì)標(biāo)

圖3中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)結(jié)果與測試結(jié)果對(duì)比相差較大，說明有限元模型需要再修改以更接近實(shí)際狀態(tài)。

（1）質(zhì)量對(duì)比

分別計(jì)算CCB、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤的質(zhì)量并與數(shù)模質(zhì)量對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 某輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件有限元質(zhì)量與數(shù)模質(zhì)量對(duì)比

每個(gè)部件的有限元質(zhì)量與數(shù)模質(zhì)量差距在經(jīng)驗(yàn)值5%以內(nèi)，符合要求。

（2）方向盤建模方式

《卜算子》中六字句的使用主要集中在詞的上、下各片結(jié)句處，用讀隔開。皆是在蘇軾《缺月掛疏桐》正格上添字所造成的變體，如杜安世的《卜算子·深院花鋪地》上下片的結(jié)句。

該輕卡方向盤無氣囊，主要由骨架、發(fā)泡材料、上蓋、下蓋、線束組成，其中骨架又由鋼、鋁兩部分焊接在一起。傳統(tǒng)建模方法將骨架建出，其他材料通過修改骨架材料密度體現(xiàn)。但是方向盤的實(shí)際質(zhì)量分布比較復(fù)雜，各部分不平均地分布在骨架上。為了使方向盤模型更貼近實(shí)際情況，骨架材料設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的鋼、鋁，發(fā)泡材料、上蓋、下蓋、線束的質(zhì)量按實(shí)際情況配在骨架上，如圖4所示。

圖4 修正后方向盤模型

（3）點(diǎn)火鎖與組合開關(guān)的影響

該輕卡的點(diǎn)火鎖與組合開關(guān)都安裝于轉(zhuǎn)向管柱上部靠近方向盤處，經(jīng)過與負(fù)責(zé)工程師咨詢?cè)搩蓚€(gè)零件總重1.3kg，可能對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)有較大影響。將二者簡化為兩個(gè)集中質(zhì)量點(diǎn)，使用RBE3固定在轉(zhuǎn)向管柱上，如圖5所示。

圖5 點(diǎn)火鎖與組合開關(guān)有限元模型

（4）螺栓連接方式

一般的螺栓連接主要抓取所有節(jié)點(diǎn)生成RB2的方法，但此種方法偏硬，導(dǎo)致模態(tài)偏高。為了貼近實(shí)際，采用RB2加beam的方式模擬螺栓連接，如圖6所示。

圖6 CCB與轉(zhuǎn)向管柱純RB2（左）與RB2加beam（右）連接方式

從以上四方面修改模型后計(jì)算的模態(tài)及應(yīng)變能結(jié)果見圖7，二階模態(tài)與實(shí)測的方向盤加速度頻響曲線基本吻合，證明模型準(zhǔn)確度高，可用于優(yōu)化。

圖7 模型修改后Y向模態(tài)計(jì)算結(jié)果：28.26Hz

4 模態(tài)優(yōu)化

初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Y向模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階頻率接近，需提升1至2Hz避開。提升模態(tài)主要可以從三個(gè)方面考慮：質(zhì)量因素，同等條件質(zhì)量越小，模態(tài)頻率越高；彈性模量因素，彈性模量越大，模態(tài)頻率越高；剛度因素，同一構(gòu)件剛度越大模態(tài)頻率越大[11-12]。具體到該輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，大部分部件材料為鋼，大范圍更改材料即更改彈性模量不太容易實(shí)現(xiàn)，所以主要考慮質(zhì)量和剛度的優(yōu)化。

（1）減小部件質(zhì)量[13-14]

CCB、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤中，方向盤具有減重空間?，F(xiàn)方向盤骨架由鋼和鋁兩部分焊接而成。鋼的密度大于鋁，如果鋼換成鋁，方向盤的質(zhì)量將下降，進(jìn)而提升模態(tài)。方向盤骨架材料全部改為鋁后，質(zhì)量減輕0.842kg，模態(tài)結(jié)果見圖8。

圖8 方向盤優(yōu)化后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Y向模態(tài)：31.30Hz

（2）提升部件剛度[15]

由圖7的應(yīng)變能云圖可看出，CCB與轉(zhuǎn)向管柱連接支架、轉(zhuǎn)向管柱與白車身連接車架應(yīng)變能較大，說明這兩個(gè)支架剛度偏低，需加強(qiáng)。綜合考慮后，將CCB與轉(zhuǎn)向管柱連接支架加焊一塊鋼板，做成近似盒裝，增重0.278kg，如圖9所示；轉(zhuǎn)向管柱與白車身連接支架加厚至4mm，增重0.819kg。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Y向模態(tài)見圖10。

圖9 CCB轉(zhuǎn)向管柱連接支架原狀態(tài)（左）與優(yōu)化后（右）

圖10 支架優(yōu)化后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Y向模態(tài)：30.11Hz

質(zhì)量優(yōu)化及剛度優(yōu)化兩種方案效果匯總見表2，兩種方案均有效提升了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率。

表2 優(yōu)化結(jié)果匯總

5 總結(jié)

本文以實(shí)測的方向盤頻響曲線為參考，建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析模型，并從四個(gè)方面提升有限元模型的準(zhǔn)確性，并從兩個(gè)方面提出優(yōu)化方案提升模態(tài)頻率。由上文的對(duì)標(biāo)及優(yōu)化過程可得出以下結(jié)論：

（1）部件質(zhì)量、方向盤、點(diǎn)火鎖和組合開關(guān)、螺栓是影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果準(zhǔn)確度的重要因素。采用本文建議的建模方式可顯著提升模型準(zhǔn)確度，更接近實(shí)際情況。

（2）提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)可以從減小系統(tǒng)質(zhì)量，提升關(guān)鍵部件剛度兩方面考慮。文中給出的兩種優(yōu)化方案可以明顯提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)。此兩種優(yōu)化思路可用于解決類似的工程問題。

（3）優(yōu)化方案2中，CCB與轉(zhuǎn)向管柱連接的“盒裝”支架，可作為內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

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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，河北邯鄲人，碩士研究生，中級(jí)工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，現(xiàn)主要從事整車NVH開發(fā)工作。