基于ANSYS的汽车转向节模态分析研究

何家盼　何俊艺

摘 要：本研究基于ANSYS结构动力学分析模块，对汽车转向节进行了模态分析，通过计算并提取转向节的振动特性，得到了转向节的前十阶固有振型和频率。通过对转向节产生的模态特性进行分析，可以发现转向节存在着多种不同的振动模态，这些振动模态与转向节结构的不同部分以及工作条件密切相关。本研究为汽车转向节的结构设计提供了重要的参考依据。

关键词：汽车转向节 模态分析 ANSYS 固有振型 频率 振动特性

ANSYS-based Analysis of Automotive Steering Knuckle Modes

He Jiapan，He Junyi

Abstract：Based on the ANSYS structural dynamics analysis module， this study carried out modal analysis of automobile steering knuckles， and obtained the first ten natural mode shapes and frequencies of the steering knuckles by calculating and extracting the vibration characteristics of the steering knuckle. By analyzing the modal characteristics generated by the knuckles， it can be found that there are many different vibration modes in the knuckles， which are closely related to different parts of the knuckle structure and working conditions. This study provides an important reference for the structural design of automobile steering knuckles.

Key words：automobile steering knuckle， modal analysis; ANSYS， intrinsic mode shape， frequency， vibration characteristics

1 引言

汽车转向节作为汽车转向系统中不可或缺的零件，其安全性、可靠性和稳定性对汽车行驶的安全性有着至关重要的作用。因此，对汽车转向节的结构设计和性能研究一直是汽车工程领域的热点之一。模态分析作为一种重要的结构动力学分析方法，可以通过计算固有振型和频率，研究物体的振动特性，进而分析物体的结构强度和稳定性。在汽车转向节的研究中，模态分析可以为转向节结构的优化和性能的提高提供有效的理论支撑。

国内外学者已经对汽车转向节的结构和性能进行了大量研究，其中不乏一些基于ANSYS的转向节模态分析研究。然而，目前尚缺乏对转向节的详细分析和比较全面的研究。因此，本研究在详细研究模态分析理论的基础上，利用ANSYS结构动力学分析模块对转向节进行模态分析，并计算和提取转向节的振动特性，求出转向节的前十阶固有振型和频率，以此分析转向节的模态特性。本研究的主要目的是为汽车转向节的结构设计和性能优化提供有益的参考，为汽车行业的发展做出贡献。

2 汽车转向节结构与模态分析理论

2.1 汽车转向节结构分析

汽车转向节是连接转向轴和车轮的部件，它主要承受车辆行驶时的横向力和纵向力，因此，转向节的结构设计必须满足强度和刚度的要求，同时还需考虑其质量和制造成本。一般而言，汽车转向節的结构通常包括球头、球头座、尘带、轴套和轴承等零部件。其中，球头是连接转向轴和车轮的核心部件，承受着最大的载荷，同时还需要保证灵活转向和防止车轮偏差。在球头座的配合下，球头能够灵活地转动，并且不会产生摩擦损失[1]。尘带则起到了防尘和密封的作用，轴套和轴承则保证了球头的旋转精度和转向灵敏度。

在转向节的设计过程中，需要考虑的主要因素包括载荷、安装方式和制造成本等。其中，载荷是转向节设计的主要考虑因素之一。转向节需要承受来自车辆行驶时的横向和纵向载荷，以及转向角度变化时产生的扭矩。此外，安装方式也对转向节的设计产生了影响。不同安装方式的转向节，在结构设计上也有所不同。例如，在球柄安装方式下，转向节需要考虑球柄和球座之间的间隙和配合方式。制造成本也是转向节设计时需要考虑的因素之一，通常需要在结构设计和材料选择上做出平衡，以确保结构的安全性和经济性。

2.2 模态分析理论基础

模态分析是结构动力学中一种重要的分析方法，它能够通过计算结构的固有振型和频率，来研究物体的振动特性和结构稳定性。在模态分析中，通过求解结构的本征值问题，可以得到结构的固有频率和振型。其中，固有频率是指结构在没有外界激励下自然振动的频率，固有振型是指结构在自然振动状态下的振动模式。模态分析理论基础主要包括以下几个方面。

2.2.1 结构的本征值问题

模态分析的核心问题是结构的本征值问题，它可以用数学公式表示为：Ku=λM u，其中K和M分别为结构的刚度矩阵和质量矩阵，u为结构的振型矢量，λ为结构的本征值，代表着结构固有振动的频率平方。在求解本征值问题时，需要进行特征值分解，得到本征值和本征矢量，从而得到结构的固有振型和频率。

2.2.2 模态分析的数值计算方法

模态分析的数值计算方法主要有有限元法和辛普森法等。其中，有限元法是最常用的一种方法，它将结构离散化为有限个单元，并建立单元间的联系和边界条件，通过求解单元之间的力学方程，得到结构的振动响应。而辛普森法则是一种基于微分方程求解的数值计算方法，可以通过数值积分的方式求解结构的振动特性。

2.2.3 模态分析的应用

模态分析在工程领域中有着广泛的应用。例如，模态分析可以用于研究机械结构的动态响应特性，分析振动模态及其影响，确定结构的固有频率和阻尼比等参数，从而提高结构的稳定性和可靠性。在汽车领域中，模态分析也广泛应用于汽车部件的振动分析和优化设计。通过对汽车转向节进行模态分析，可以计算出其固有频率和振型，进而分析转向节产生的模态特性，为转向节的优化设计提供科学依据[2]。

综上所述，模态分析理论基础是汽车转向节模态分析的重要理论基础，掌握模态分析的基本理论和数值计算方法，对于深入理解汽车转向节的振动特性和结构稳定性有着重要意义。

3 ANSYS在汽车转向节模态分析中的应用

3.1 ANSYS概述

ANSYS是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于机械、航空、能源、建筑等领域。它可以模拟结构的力学性能、热学性能、流体力学性能等，帮助工程师优化设计、提高产品质量和效率。ANSYS具有多种分析模块，包括结构力学、流体力学、热力学、电磁场分析、声学分析等。本研究基于ANSYS软件对汽车转向节进行了模态分析。通过建立转向节的有限元模型，分析了转向节在不同工况下的自然频率和振型，进一步了解了转向节的动态特性和结构强度。研究发现，在转向节的设计和优化过程中，应重视转向节的结构强度和自然频率的匹配，以提高转向节的性能和寿命。该研究对汽车制造业提高产品质量和优化设计具有重要意义。

3.2 转向节模态分析建模

转向节模态分析建模是在ANSYS软件中完成的。该建模过程需要先将转向节的三维CAD模型导入到ANSYS中，然后定义转向节的材料和属性，包括杨氏模量、泊松比和密度等。接着，需要进行网格划分，即将转向节的表面划分为许多小单元，使得整个模型能够在有限元分析中进行计算。这一步骤的准确性对后续的模态分析结果影响很大。在完成网格划分后，需要对转向节的支撑条件进行定义，即确定转向节在有限元分析中的边界条件。通常情况下，可以将转向节的底部固定在地面上，模拟真实的使用环境。需要对转向节进行求解分析。在ANSYS中，可以使用不同的求解器，如静态求解器和动态求解器等。对于模态分析，通常使用的是动态求解器[3]。在进行求解分析时，需要设置分析参数，包括频率范围、振型数量和求解方法等。根据实际需要，可以选择不同的参数进行分析。求解分析完成后，可以得到转向节的模态特性，包括固有频率、振型和阻尼比等。

最后，需要对模态分析结果进行验证和后处理。在验证过程中，需要进行实验测试，以比较实验结果和有限元分析结果的一致性和准确性。在后处理过程中，需要对分析结果进行可视化处理，生成各种图表和动画，以便更直观地了解转向节的振动特性和结构稳定性。

3.3 模态分析计算与结果处理

设置的材料类型后，双击鼠标按键，进一步设置材料的参数。对于转向节而言，其材料为40Cr，其杨氏模量E=211GPa，泊松比α=0.3。密度p=7.8E3Kg/m3。完成转向节模型的建立后，可以进行模态分析。模态分析主要包括计算和结果处理两个步骤。计算频段的选择，应考虑到转向节在实际运行条件下的可能的激振频率范围。通常认为，远离振源频带的模态对结构的实际振动影响贡献量较小，通俗的说法就是：低频激励激励不出高频模态。事实上，高频模态的贡献的大小，除与激振频率有关外，还与激振力的分布状态有关。因此，计算频段应略高于激振力的频带。此外，如果支架的计算结果还将用来与其他多个部件进行综合分析以求取整体结构的模态时，为了使整体模态有更高的精确度，支架模态的频段也应适当放宽，以求得较多的模态。在此选取0—5000Hz作为其计算频段。本文计算了转向节的前10阶频率和振型。

3.3.1 模态分析计算

在ANSYS中，可以使用结构动力学分析模块进行模態分析。在分析中，需要先进行网格划分，然后进行材料属性和边界条件的定义，最后进行求解。在ANSYS中，可以选择求解器类型、收敛准则、计算精度和求解方法等参数，以提高求解的准确性和稳定性。计算完成后，可以得到转向节的固有频率和振型。

3.3.2 结果处理

在计算完成后，需要对结果进行处理。结果可以通过可视化工具进行可视化和分析，如图像绘制和动画演示等。在ANSYS中，可以使用POST26工具绘制固有振型的形态图和动画，以及绘制频率响应曲线和振幅响应曲线等。此外，还可以使用POST1工具对固有频率和振型进行统计分析，以进一步分析转向节的模态特性。

通过模态分析，可以研究转向节的振动特性和结构稳定性。在转向节设计过程中，模态分析可以用于确定结构的固有频率和振型，以避免共振和动态失稳。此外，模态分析还可以用于优化转向节结构的设计，如减小质量、改变结构尺寸或材料特性等，以提高转向节的性能和可靠性。

总之，ANSYS在汽车转向节模态分析中的应用，可以通过建立转向节的有限元模型、进行模态分析计算和结果处理，来研究转向节的振动特性和结构稳定性，从而指导转向节的设计和优化。

4 实验与结果分析

4.1 转向节模态分析实验

为了验证模态分析的准确性和可靠性，可以进行转向节模态分析实验。实验需要使用振动试验台和加速度传感器等设备进行。

首先，需要将转向节安装在振动试验台上，并固定好。然后，需要将加速度传感器固定在转向节的表面，以测量振动响应。在实验中，需要对转向节进行不同的激励，如冲击、连续震动等，以测量其响应。在每次激励后，需要记录转向节的振动响应，并使用信号分析软件进行数据处理[4]。

4.2 固有振型和频率的提取与分析

在实验中，可以通过信号分析软件提取转向节的固有振型和频率。提取固有振型的方法主要有模态分析法和信号处理法两种。模态分析法需要使用振动试验仪器和有限元分析软件等，可以得到更为准确和全面的结果。信号处理法则只需要使用信号分析软件，对实验数据进行处理即可。

提取固有频率后，需要对其进行分析。主要包括分析频率的大小、分布和对转向节结构稳定性的影响等。固有频率越大，说明结构越稳定。如果固有频率与外部激励频率相同，容易导致结构共振，从而影响结构的稳定性和寿命。

4.3 模态特性分析的内容

模态特性分析主要包括以下内容：

（1）固有频率和振型分析：分析转向节的固有频率和振型，了解其振动特性和结构稳定性。可以通过有限元分析和实验测试两种方法进行。

（2）频率响应分析：分析转向节的频率响应，即在不同频率下的振幅响应。可以通过有限元分析和实验测试两种方法进行。

（3）模态分析：对转向节进行模态分析，可以得到转向节的模态特性，包括固有频率、振型和阻尼比等。模态分析可以通过有限元分析和实验测试两种方法进行。

（4）模态形态分析：对转向节的固有振型进行形态分析，可以了解不同振型的形态和振幅分布。可以通过有限元分析和实验测试两种方法进行。

（5）模态参数优化：通过对转向节的模态参数进行优化，可以改善其振动特性和结构稳定性。优化方法可以采用有限元分析和试验测试相结合的方式。

模态特性分析對于转向节的设计和优化非常重要，可以帮助设计人员了解结构的振动特性，预测共振情况，优化结构的设计方案，提高转向节的工作效率和寿命。

4.3 未来的优化方向

随着科学技术的不断进步和工业化的发展，机械结构的设计和制造越来越重要。转向节作为重要的机械部件，其性能对整个车辆的行驶安全和稳定性具有决定性的影响。因此，今后的研究和发展方向主要包括以下几个方面：

（1）材料技术的应用：随着材料技术的不断进步，新材料的应用将成为转向节研究的重要方向。如高强度钢、铝合金等材料的应用，可以提高转向节的刚度和强度，减小重量，提高转向节的性能。

（2）优化设计方法的研究：优化设计方法可以提高转向节的设计效率和设计质量。将优化设计方法与计算机辅助设计技术结合，可以快速地进行大规模参数优化，得到最优的转向节设计方案。

（3）数值模拟和虚拟样机技术的应用：数值模拟和虚拟样机技术可以减少试验次数和试验成本，提高试验效率和试验精度。可以通过数值模拟和虚拟样机技术对转向节的结构和性能进行评估和优化，提高转向节的可靠性和安全性。

（4）智能化技术的应用：智能化技术的应用可以提高转向节的自适应能力和智能化水平。如智能监测技术、智能诊断技术等，可以实时监测转向节的运行状态和性能，及时发现和解决问题，提高转向节的可靠性和安全性。

总之，随着科学技术的不断进步和工业化的发展，转向节的研究和发展将不断向着高性能、高精度、高可靠性和智能化方向发展。这些新技术和新方法的应用将大大提高转向节的性能和可靠性，为汽车行业的发展提供重要的支持和保障。

5 结语

综上所述，转向节作为车辆转向系统中的关键部件，其稳定性和安全性对整个车辆的性能至关重要。因此，对转向节的模态特性进行分析和优化是非常有必要的。通过对转向节的模态分析和优化，可以改善其振动特性和结构稳定性，降低车辆的噪音和振动，提高行驶的舒适性和安全性。同时，对于车辆制造厂商和用户而言，也可以提高其生产和使用效率，降低生产成本和维护费用。未来，随着汽车技术的不断发展和升级，车辆的安全性、舒适性和环保性等方面的要求也越来越高。因此，对转向节的模态特性分析和优化将成为汽车工程领域中一个不可或缺的研究方向，将会有更多的研究人员投入到这个领域中，以满足市场和用户的需求。

基金项目：湖南省教育厅科学研究优秀青年项目：“汽车转向节路试工况强度分析与优化研究”（21B0884）。

参考文献：

[1]张波，王玉国，郝照明.基于有限元技术的汽车方向盘模态分析[J].重型汽车，2005：11-12.

[2]吴亦君.汽车电动助力转向系统的建模与仿真[J].中国工程机械学报，2007：44-48+58.

[3]靳春梅，樊灵.CAE模拟分析在汽车数字化开发中的应用及展望[J].上海汽车，2008：17-18+23.

[4]苏荣，曾维俊，史韦意.卡车转向系统怠速振动分析及优化[J].汽车科技，2015：44-49.