某卡车转向系统模态测试与分析

王晓兰　舒宏超　佘威

摘 要：分析了某型卡车转向系统振动激励源及传递路径特性，对方向盘、转向柱和方向盘与转向柱组件分别进行模态测试，获得了该车转向系统的模态参数，为其动态特性分析与优化提供依据。该车转向系统 Y向一阶弯曲固有频率为 31.4Hz，避开了怠速工况下发动机激励频率。车体、转向柱安装支架和 CCB管梁等零部件的刚度会对转向系统模态产生影响，设计时应予以全面考虑，避免各部件间共振耦合。

关键词：转向系统；振动分析；模态分析

1 前言

随着汽车的普及，人们对汽车的驾驶舒适度期望越来越高，汽车 NVH（ Noise， Vibration& Harshness）研究也愈发受到相关科研机构和汽车生产厂家的重视 [1]。方向盘与驾驶员直接接触，其振动特性将直接影响驾驶员的驾驶安全和驾驶体验，是体现汽车 NVH品质的重要因素之一。来自路面和发动机的激励能量通过转向系统直接传输到方向盘，直接引起方向盘振动。同时转向系统、发动机、悬置系统、和车体结构等均对方向盘振动有影响。如何优化设计转向系统，使汽车具有良好的 NVH品质，始终是各汽车厂家和科研机构的重要研究课题 [2-3]。

本文通过对方向盘、转向柱以及方向盘与转向柱组件进行模态测试，通过对比分析测试数据，找出转向系统零部件之间的相互影响，为后续优化设计提供依据 [4-5]。

2 方向盘振动分析

2.1 激励源 -传递路径 -接受体模型

从传递路径的角度分析，引起方向盘振动的主要原因是激励源的激励力过大或激励频率和转向系统的固有频率耦合，使系统产生共振。转向系统振动的激励源 -传递路径 -接受体模型如图 1所示。

2.2 方向盘振动激励源分析

发动机激励以点火阶次为主，对于四缸四冲程发动机而言，则以二阶激励为主。

汽车在路面上行驶，路面对轮胎进行周期性激励，一般激励频率不超过 20Hz，路面对轮胎激励频率近似公式为

3 转向系统动力学特性试验

3.1 模态测试基本原理

3.2 转向系统模态测试

实验时，首先考虑方向盘、转向柱各自本体固有振动属性，然后将方向盘和转向柱看作一个系统，考察系统的固有振动属性。

测试方向盘和转向柱各自本体固有振动属性时，试件支撑方式采用橡皮筋悬挂支撑，见图 2和图 3，足以保证试件的刚体模态频率低于其自身弹性频率的 1/10。

模态测试采用的是单输入单输（SISO）法，固定力锤激励点，通过不断移动加速度响应点得到频响函数矩阵的一列，从而可以获得一组完整的模态测试数据。

综合考虑附加质量影响和试验效率，测试过程中以两个三向加速度传感器为一组每隔两点进行拾振，为消除噪声干扰，采用 4次平均以保证相干函数和传递函数质量。

方向盘平面布置 10个测点，方向盘安装孔所属结构的平面内布置 5个测点，一共 15个测点。坐标系选取以方向盘平面的法向为 z方向， x和 y方向由右手定则确定。激励点选取了两处，一处位于方向盘回正时的 12点钟方向位置，激励方向为 -z方向，另一处位于连接的过渡斜面上，激励方向为 x y平面内斜 45度方向。

转向管柱自身所在圆柱视作杆件，杆的长度方向布置 4个测点，管柱侧边结构同样布置 4个测点。坐标系的选取以管柱长度方向为 z向，根据右手定则定义另外两方向。三向加速度响应传感器布置在转向管柱的最顶端（图 2），力锤激励敏感方向，得到这敏感方向的传递函数。

方向盘与转向柱组件模态测试，为了能准确的获得方向盘与转向柱组件在驾驶室内约束状态下的模态参数，选取方向盘 12点钟、 3点钟、 6点钟以及 9点钟作为加速度传感器的布置点，在转向柱上选取了 4个能反应其形状的四个点，在这四个点上分别布置加速度传感器。方向盘与转向柱组件模态测试的敲击点与测点分布详见图 4。

3.3 测试结果与分析

方向盘本体模态测试结果见图 5；转向柱本体模态测试结果见图 6；方向盘与转向柱组件模态测试结果见图 7。

由图 7可知方向盘与转向柱组件固有频率为 31.3HZ，避开了发动机怠速振动激励频率和路面激励频率。图 7所示的 FRF曲线中，除了在 31.3Hz处有个波峰外，在 24.3Hz处还有个较小的波峰，这是由 CCB管梁引起的。在做方向盘与转向柱组件约束模态时，必定会受到车体、转向管柱安装支架、 CCB管梁等零部件的影响，测试过程中会采集到其他零部件的一些模态。

4 结语

通过该实验证实了该车转向系统设计的合理性，即转向系统 Y向一阶弯曲固有频率避开了怠速工况下发动机激励频率、路面激励频率。同时知道了车体、转向管柱安装支架、 CCB管梁等零件对该车转向系统模态影响，为后续转向系统的优化、各零部件的设计提供了依据。

参考文献：

[1]孔祥梅，汤佳云，李艳华 .关于汽车转向系统的模态分析与建议 [J].企业科技与发展，2014（19）：19-22.

[2]杨明亮，丁渭平 . 汽车 NVH性能测试技术流程径 [J]. 实验室研究与探索，2010，29（10）：28-31.

[3]杨亮，吴行让，张硕，等 . 汽车怠速方向盘振动控制研究 [J].噪声与振动控制，2011，31（5）：80-85.

[4] 谭万军，杨亮，吴行让，等 . 基于 ODS与试验模态分析的方向盘摆振优化 [J].振动工程学报，2011，24（5）：498-504.

[5] 徐燚，吴彰伟 .基于 ADAMS的某客车动力总成悬置系统分析及优化 [J].农业装备与车辆工程，2013，51（14）：52-57.

作者简介

王晓兰：（1981.04—），女，硕士研究生，江淮汽车有限公司，项目管理工程师，研究方向为汽车研发项目管理及设计。