某型工程车方向盘抖动分析与优化方法研究

李小军，阳荣慧，李建华，何寄平

(福田欧辉环境装备事业部，湖南长沙 410029)

某型工程车方向盘抖动分析与优化方法研究

李小军，阳荣慧，李建华，何寄平

(福田欧辉环境装备事业部，湖南长沙 410029)

应用NVH有限元分析手段对某型工程车转向机构进行模态和频响分析,找出了它在怠速工况下发生抖动的根本原因，并且提出了优化改进方法。通过对比分析得出,此方法达到了有效降低和减少抖动的目的,表明此方法是一种有效的解决此类问题的方法。

工程车；方向盘抖动；NVH；模态分析；频响分析

0 引言

由于能源与环境问题,汽车设计在追求轻量化、舒适性和低油耗的同时,振动和抖动问题一直是难点,很难解决。人体容易感受的都是低频振动 ，所以低频振动更容易引起驾驶员和乘客的疲劳，影响汽车的行驶安全。文中所研究的一款工程车在怠速工况下方向盘抖动非常厉害，严重影响了驾驶员的舒适性。抖动属于低频振动，振动频率范围为5～30 Hz，但是转向机构的振动频率在40 Hz左右[1]。为了探究产生振动的原因以及解决的方法，作者通过引入NVH分析方法来研究和解决此问题，找出引起振动的根本原因，通过优化结构找到有效的解决方法。

1 NVH模态频响分析

1.1 分析模型建立

由于整车的NVH分析太过复杂和繁琐，因此文中只提取方向盘转向机构及其固定装置作为分析对象建立分析模型，根据其结构特点，摘取了车身相关部件，并作简化，转向机构及其固定装置模型如图1所示。

转向机构的NVH分析选定为两个方面：方向盘转向机构总成约束模态计算；模态频响分析。模态分析中在车身固定件周围施加固定约束。在频响分析中，在方向盘的固定大支架中心处施加频响载荷。

图1 转向机构模型图

1.2 分析结果与评价

对其进行模态分析，模态分析结果如表1所示，第1和第2阶模态频率值相差2.4 Hz，容易引起耦合共振。前3阶模态频率在40 Hz以下，在低频振动下容易引起共振，增加振动。

表1 模态分析结果表

在大支架中心处分别施加X、Y、Z3个方向的频响载荷，频率范围为0～40 Hz，大小为1。其响应点选取方向盘上的4个点，如图2所示。

图2 方向盘响应点选取图

其频响分析结果如图3所示。

图3 频响分析结果图

从结果看出：振动明显区域在30～40 Hz区间，前两个波峰有耦合共振的趋势;在30 Hz以下，振幅很小，没有波峰出现。可见转向系统模态频率低,前3阶均在30～40 Hz区间,容易在40 Hz左右的振动激励作用下发生明显的振动,是出现抖动非常严重的根本原因。

1.3 优化改进方案

根据发生抖动的根本原因,提出通过提高方向盘模态频率、远离怠速激励频率区域、减少共振的方法来减少方向盘的抖动问题。具体方案是改变方向盘骨架材料，由Q235改为AM50A铝镁合金材料。Q235材料的密度为7.83×10-9t/mm3，而铝镁合金只有1.8×10-9t/mm3，只为原来的1/4左右。这样就可以大大降低方向盘骨架的质量，从而达到提高其模态频率的目的。

2 优化效果验证分析

对优化后的模型进行模态和频响分析，并且与原始结果进行对比。模态结果对比如表2所示，频响分析结果与对比如图4—6所示。

表2 模态结果对比表

图4 频响分析X方向位移对比图

图5 频响分析Y方向位移对比图

从结果与对比中可以得出如下结论：

(1)改为AM50A材料后，一阶频率达到46.5 Hz，比原始模型频率值31.5 Hz大15 Hz，有效提升了原始模型的模态频率值，避开了30～40 Hz的振源频率。而且前几阶模态频率值间隔分明，可以避免耦合共振。

(2)优化模型的第一个峰值频率在50 Hz以上，远离原始模型的峰值频率30～40 Hz区域。在频率40 Hz以下，基本无振动峰值，表明有效抑制了振动位移,有效减少了方向盘的振动和抖动。而原始模型在30～40 Hz左右，振动峰值非常明显。

3 结论

通过引入NVH仿真分析方法，进行模态和频响分析等，找出了引起方向盘抖动的根本原因是模态频率低，前3阶模态均在40 Hz以下，容易在30～40 Hz的振源作用下引起共振,出现方向盘抖动厉害的问题。根据结果和数据,提出改变方向盘骨架材料，大大降低骨架质量,提高转向系统的模态频率，使其远离振源激励频率,达到降低抖动的目的。通过结果对比分析，此方法非常有效，达到了有效降低和减少抖动的目的，表明此方法是一种解决此类问题的可行方法。

【1】王志亮，刘波，李晶华,等.汽车抖动性产生机理与分析方法研究[J].噪声与振动控制,2008,28(4):87-89. WANG Z L,LIU B,LI J H,et al.Automobile Shake Mechanism and Analysis Method Research[J].Noise and Vibration Control,2008,28(4):87-89.

Analysis and Optimization for Steering Wheel Vibration of a Certain Type of Truck

LI Xiaojun, YANG Ronghui, LI Jianhua, HE Jiping

(Foton AUV Environmental Equipment Division,Changsha Hunan 410029,China)

NVH finite element analysis method was used to make modal analysis and frequency response analysis for steering mechanism of a certain type of truck. The root cause of jitter in idle condition was found, and optimization and improvement method was proposed. Through comparative analysis, it is concluded that by using the method, the jitter can be effectively reduced. This method is an effective way to solve same problem.

Truck;Wheel jitter;NVH;Model analysis;Frequency response analysis

2016-08-31

李小军，男，大学本科，研究方向为汽车转向系统的匹配和振动。E-mail：lxj31310@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.011

U481.6

A

1674-1986(2016)12-047-04