低成本機(jī)械管柱低階固有頻率優(yōu)化方法研究

陳曉濤　董亞旗　王惠　趙文濤　趙士偉　徐浩然

摘 要：新能源汽車行業(yè)推動(dòng)著中國(guó)汽車行業(yè)快速發(fā)展，隨之而來的是對(duì)新能源汽車更加嚴(yán)苛的性能要求和成本控制要求。新能源車型配置的電機(jī)、電池模組在現(xiàn)階段不可避免的增加車身整備重量，使得車橋負(fù)載增大，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流的新能源車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力配備在轉(zhuǎn)向機(jī)，結(jié)構(gòu)形式為EPSdp或者EPSapa。這使得轉(zhuǎn)向管柱搭配的結(jié)構(gòu)形式主要為機(jī)械管柱或者電動(dòng)調(diào)節(jié)管柱，因成本原因，目前電動(dòng)調(diào)節(jié)管柱在新能源汽車配備的比例仍然不高，而機(jī)械管柱是主要的結(jié)構(gòu)形式。隨著新能源車汽車的快速發(fā)展，低成本、高性能的機(jī)械管柱在汽車行業(yè)的需求數(shù)量越來越高，低成本管柱的開發(fā)周期、產(chǎn)品性能面臨越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文通過一款低成本機(jī)械管柱的開發(fā)案例，對(duì)低成本管柱低階固有頻率性能優(yōu)化的方法進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：低成本機(jī)械管柱 固有頻率 有限元計(jì)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(zhuǎn)向管柱是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中重要的組成環(huán)節(jié)，其基本作用是將方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)通過轉(zhuǎn)向機(jī)傳遞到輪轂上，起到控制汽車轉(zhuǎn)向的作用[1]。在新能源汽車快速發(fā)展的大背景下，低成本、高性能的機(jī)械管柱開發(fā)，對(duì)于整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)零部件來說至關(guān)重要。

本文以自主設(shè)計(jì)的低成本、高性能管柱案例，討論與乘用車駕駛感受關(guān)系緊密的低階固有頻率的一系列優(yōu)化方法。本低成本管柱主要結(jié)構(gòu)包括：（1）轉(zhuǎn)向軸小總成，其作用為直接傳遞方向盤的扭矩到轉(zhuǎn)向機(jī)。（2）夾緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其作用為開關(guān)手柄調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱相對(duì)駕駛員的空間位置。（3）潰縮機(jī)構(gòu)，其作用是當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，可以使管柱尺寸縮短以避免方向盤碰撞駕駛員。（4）上下柱管小總成。

2 低階固有頻率優(yōu)化方案

2.1 夾緊支架開槽優(yōu)化方案

夾緊支架在轉(zhuǎn)向管柱起到整車上安裝點(diǎn)以及夾緊管柱，保持管柱軸向和徑向鎖緊的作用。為了提高夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊效率，提升管柱的低階固有頻率及剛度，夾緊支架通常會(huì)做開槽等特征，使得夾緊支架在被手柄夾緊時(shí)可以更容易變形。本案例對(duì)已有的開槽特征進(jìn)行優(yōu)化，從“I”形槽有華為“L”形槽，進(jìn)一步提升支架的變形效率。

夾緊支架開槽特征要注意避免與齒條等周邊件干涉。

2.2 夾緊區(qū)域面積優(yōu)化方案

除了夾緊支架夾緊時(shí)變形效率外，可以通過增大夾緊支架與下柱管接觸面積的方式，增大夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊效率，使得相同的手柄移動(dòng)行程，管柱整體可以抱得更緊。

2.3 上下柱管重合面積優(yōu)化

管柱在軸向各個(gè)不同的調(diào)節(jié)位置，上柱管與下柱管均有一定的重合區(qū)域，在滿足潰縮距離以及其他幾何干涉前提下，可以通過增長(zhǎng)上柱管長(zhǎng)度來增大上下柱管重合區(qū)域，使得管柱鎖緊具有更大的抱緊接觸面積，以提升管柱的低階固有頻率。

2.4 下柱管增加內(nèi)側(cè)開槽方案

通過經(jīng)驗(yàn)匯總發(fā)現(xiàn)，管柱低階固有頻率偏低，通常是主體的柱管變形效率不足，直接影響管柱的變形效率，管柱鎖緊時(shí)管柱抱緊效率低，導(dǎo)致低階固有不頻率不足。因此，在下柱管內(nèi)壁較厚處增加開槽的特征，旨在增加機(jī)械柱管手柄鎖緊時(shí)的抱緊效率，以提升低階固有頻率。

3 基于ABAQUS的有限元計(jì)算驗(yàn)證

本文基于Hypermesh及ABAQUS有限元仿真計(jì)算軟件聯(lián)合仿真計(jì)算，通過以上設(shè)計(jì)方案的三維幾何模型的輸入，對(duì)低成本管柱的低階模態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 邊界條件設(shè)定

低成本機(jī)械管柱模態(tài)邊界條件：使用重量為3.5kg的方向盤同比例質(zhì)量點(diǎn)，在距離管柱Gauge line軸線方向外側(cè)77.8mm處施加外載荷。對(duì)質(zhì)量點(diǎn)施加水平和垂直的外界激勵(lì)載荷，通過計(jì)算得出水平（1階）和垂直（2階）模態(tài)的固有頻率值。

3.2 優(yōu)化前低成本管柱低階模態(tài)

3.3 優(yōu)化前后成本管柱低階模態(tài)

基于CAE計(jì)算優(yōu)化后的1、2階固有頻率云圖如下所示：

通過優(yōu)化后的低成本機(jī)械管柱低階固有頻率的CAE計(jì)算，可以看出低階固有頻率在名義和極限位置、在水平和垂直方向均有明顯的提升。

4 結(jié)束語

按照目前汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械管柱低階模態(tài)在水平和垂直方向上的要求：＞50Hz即可。根據(jù)表1可以看出，該低成本機(jī)械管柱已達(dá)到目前主流的要求，但是隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，各項(xiàng)性能參數(shù)要求均在提升，低階模態(tài)要求亦是如此。因此，對(duì)于低階固有頻率的優(yōu)化是勢(shì)在必行的。

本文旨在通過一款自主設(shè)計(jì)的低成本機(jī)械管柱的案例，通過四種不同的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案來拓展提升機(jī)械管柱的低階固有頻率性能方法。當(dāng)然，在本文列舉方法之外，仍然存在許多不同方式的優(yōu)化方案，例如優(yōu)化機(jī)械管柱零部件之間的裝配尺寸公差等方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]方景燦. 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理及故障排除方法分析[J].時(shí)代汽車，2021（08）：179-180.