基于传递路径方法及CREO有限元分析的方向盘振动优化

刘全胜　沙迪　田硕　李松

关键词：方向盘；行驶振动；传递路径；优化；Creo 有限元

中图分类号： U463.4 文献标识码：A

0 引言

随着汽车工业的发展，人们对商用车舒适性的要求越来越高，行驶工况下方向盘振动是汽车 NVH 舒适性的重要评价指标之一，需要在整车研发过程中优先考虑。方向盘直接与驾驶员接触，若振动偏大会影响行驶舒适性，导致用户抱怨，造成整车厂品牌形象受损及口碑下降。因此，对行驶工况下方向盘振动的优化研究具有重要工程意义。

车辆行驶时，主要的振动源是发动机、传动系统以及轮胎传递的路面激励引起。减小传动系对方向盘振动影响常用的方法有：隔振、减振和使部件避开传动系的振动频率段[1]。通过对行驶时方向盘振动的分析，采用客观参数测量与整车舒适性评价相结合的方法，确定方向盘振动原因及改进措施，本文重点考虑避开传动系振动频率来提升方向盘振动舒适性。

车辆行驶时，方向盘的振动是由激励源经过传递路径传递到方向盘的结果（图1），当激励频率和方向盘的固有频率相同或者接近时，方向盘发生共振，造成振动异常增大[2]。

本文研究课题为某商用车方向盘行驶振动异常问题，总体思路是通过传递路径分析方向盘振动原因，通过CREO 有限元分析工具分析， 提出解决方案， 最终通过验证， 措施有效。

1 行驶工况方向盘振动传递路径分析

传递路径分析方法，是一种基于现场试验数据以及叠加原理的激励源识别方法。它通过分析系统中各个部件之间的振动传递关系，确定主要激励源和传递路径，为振动优化提供科学依据[3]。在方向盘振动分析中，传递路径分析方法可以通过测量和分析方向盘与汽车其他部件之间的振动传递关系，确定方向盘振动的主要传递路径[4]。传递路径分析的基本步骤如下。

（1）确定测试对象和测试工况：根据研究目的和实际情况，选择需要测试的方向盘和其他相关部件，并确定测试工况。

（2）采集振动数据：利用数据采集设备，对方向盘和其他相关部件的振动数据进行采集。

（3）数据分析：利用传递路径分析软件，对采集到的振动数据进行处理分析，确定主要传递路径和激励源。

（4）结果验证：通过实验结果与仿真结果的对比，验证分析结果的准确性。

通过分析可以明确方向盘振动的主要传递路径和激励源，为后续的振动优化提供重要依据。例如，发现振动主要来源于发动机或传动系统，可以通过改进这些部件的结构设计或调整其工作参数来降低振动传递；发现振动传递路径中存在薄弱环节，可以通过加强该环节的结构刚度或添加阻尼材料来降低振动传递[5]。

1.1 行驶工况传递路径测试

在进行传递路径测试时，首先明确传递路径测试的点，行驶工况下，本文分别选取以下6 个点布置加速度传感器进行测试。其中，1 点和2 点分别位于仪表板横梁位置和转向柱固定支架；3点和4 点分别位于转向柱下点和转向柱上点，5 点和6 点分别位于转向柱中心点和方向盘12 点位置（图2）。

1 行驶工况方向盘振动传递路径分析

传递路径分析方法，是一种基于现场试验数据以及叠加原理的激励源识别方法。它通过分析系统中各个部件之间的振动传递关系，确定主要激励源和传递路径，为振动优化提供科学依据[3]。在方向盘振动分析中，传递路径分析方法可以通过测量和分析方向盘与汽车其他部件之间的振动传递关系，确定方向盘振动的主要传递路径[4]。传递路径分析的基本步骤如下。

（1）确定测试对象和测试工况：根据研究目的和实际情况，选择需要测试的方向盘和其他相关部件，并确定测试工况。

（2）采集振动数据：利用数据采集设备，对方向盘和其他相关部件的振动数据进行采集。

（3）数据分析：利用传递路径分析软件，对采集到的振动数据进行处理分析，确定主要传递路径和激励源。

（4）结果验证：通过实验结果与仿真结果的对比，验证分析结果的准确性。

通过分析可以明确方向盘振动的主要传递路径和激励源，为后续的振动优化提供重要依据。例如，发现振动主要来源于发动机或传动系统，可以通过改进这些部件的结构设计或调整其工作参数来降低振动传递；发现振动传递路径中存在薄弱环节，可以通过加强该环节的结构刚度或添加阻尼材料来降低振动传递[5]。

1.1 行驶工况传递路径测试

在进行传递路径测试时，首先明确传递路径测试的点，行驶工况下，本文分别选取以下6 个点布置加速度传感器进行测试。其中，1 点和2 点分别位于仪表板横梁位置和转向柱固定支架；3点和4 点分别位于转向柱下点和转向柱上点，5 点和6 点分别位于转向柱中心点和方向盘12 点位置（图2）。

定义方向盘坐标系：方向盘中心点定义为原点O ；X 轴定义为方向盘平面与整车纵向平面的交线，规定汽车前进方向反方向为正；与整车坐标系Y 轴平行定义为方向盘Y 轴，右为正；与方向盘平面垂直为Z 轴，向上为正。表1 为80 km/h 等速工况下振动测试结果，表中X、Y、Z 数值为各方向加速度（g）值，总值为各个方向振动值平方和的平方根值，称为RSS 值，如公式1 所示。

通过对比表1 中数值可知，某商用车行驶时方向盘振动传递过程中，在方向盘位置明显放大，尤其在Z 向振动最为突出，接下来重点研究Z 向突变原因。

通过进一步分析各点在0 ～ 200.0 Hz 的Z 向振动频谱图可以看出（图3），在42.0 Hz 附近，方向盘本体明显产生共振放大现象。

为排除发动机转速以及行驶速度对方向盘振动影响，项目团队分别在不同转速、不同车速以及不同挡位下进行行驶工况传递路径分析，分析方向盘12 点位置在80 km/h、70 km/h、60 km/h 和50 km/h 速度工况下频谱图，结果显示发动机转速及车速对方向盘本体振动放大无关。由于激励频率在42.0 Hz附近，考虑传动系统模态与方向盘模态的耦合振动。

1.2 方向盘固有模态测试

经过对方向盘本体进行力锤模态测试，方向盘在Z 向固有频率为42.0 Hz。根据以上传递路径试验结果，激励频率不受车速挡位影响，为系统固定频率。根据单自由度隔振效果（图4），理论上当传递率等于1 时，激励频率与固有频率之比为1.414。但是在很多情况下，要考虑40% 以上的频率间隔几乎是不可能的。根据汽车行业经验，一般要求距离激励源频率3.0 Hz 或者间隔15% ～ 20% 的距离可以满足隔振需求。本文中选择距离激励源3.0 Hz 以上，以使方向盘避开传动系的振动频率段。

2 方向盘振动优化方案

Creo 有限元仿真技术是一种基于计算机模拟的分析方法，它利用有限元法对复杂结构进行离散化处理，并通过求解离散化后的数学模型来预测结构的力学行为。在方向盘振动优化中，Creo 有限元仿真技术可以用于建立方向盘的有限元模型，并对其进行模态分析、频响分析等，以识别出振动产生的关键因素和敏感区域。

2.1 Creo 有限元仿真分析

（1）模态分析：通过模态分析计算方向盘的固有频率和振型，了解其振动特性。

（2）频响分析：在方向盘上施加不同频率的激励载荷，通过频响分析计算其响应特性，并识别出敏感区域和关键因素。

（3）结构优化：根据仿真分析结果对方向盘的结构进行优化设计，以降低其振动响应和提高其舒适性和安全性。

根据前述试验以及分析结果，对方向盘本体模态进行有限元分析，鉴于方向盘本体发泡材料模拟分析困难，项目团队抽取方向盘骨架进行有限元分析。根据分析值与试验值进行等效转换，最终使方向盘实际模态值提升3.0 Hz 以上。用Creo 的Simulate有限元分析模块对原车方向盘骨架模态进行分析，按实车状态建立方向盘约束模态有限元模型，部件之间按实车进行连接和重量配重，按实际情况进行边界约束。分析得到方向盘骨架Z 方向振动频率为54.4 Hz（图5），基于试验模态42.0 Hz 数值进行等效转换，得出转换系数为：

Ｑ =54.4/42.0=1.295

2.2 方向盘传递路径模态优化

基于传递路径分析方法和Creo 有限元仿真技术的结果，降低行驶工况下方向盘振动最有效的途径是隔振、减振和避开激励频率。本文通过主要传递路径分析、频响测试分析以及 CAE 分析，最终确认了方向盘本体产生共振，为传递路径的最后一环，其中方向盘骨架刚度不足是导致方向盘振动的最主要原因。本文提出了以下针对方向盘振动的优化方案。

（1）加强主要传递路径的结构刚度：通过增加结构件厚度、添加加强筋等方式提高主要传递路径的结构刚度以降低振动传递。

（2）调整方向盘的模态频率：通过改变结构尺寸、添加质量块等方式，调整方向盘的模态频率以避免与发动机等激励源的频率重叠，从而减少共振现象。

（3）改进安装方式和连接件设计：优化方向盘与汽车其他部件的安装方式和连接件设计，以减少因安装不当或连接件松动导致的振动传递。

进一步通过Creo Simulate 有限元分析模块，对方向盘骨架底板厚度进行有限元敏感度分析，结果显示方向盘骨架底座刚度对方向盘整体模态提升至关重要。将底板厚度设置为变量，输出模态随底板厚度变化趋势，最终得出当底板厚度为6 mm 时骨架Z 向模态值为59.5 Hz。骨架Z 向模态值除以转换系数Q，得出方向盘本体模态为45.9 Hz，比原方案大3.5 Hz 左右，满足提升要求。

综合以上计算结果，只要方向盘骨架Z 向模态满足58.3 Hz以上频率，就可以满足提升3.0 Hz 要求。

3 优化方案验证

为了验证优化方案的有效性，本文进行了试验验证。首先按照优化方案对方向盘进行改进设计并制造样品；然后在相同的测试工况下对改进后的方向盘进行振动测试；最后将测试结果与优化前的结果进行对比分析。从试验结果可知，优化后方向盘12 点位置的振动加速度总值由原来的5.74/（m/s2）降到了3.16（m/s2），降幅达到45%，舒适性大幅提高。

实验结果表明，经过优化后的方向盘在振动性能上有了显著提高，具体表现为振动幅值降低、振动频率分布更加合理等。这说明本文提出的优化方案是有效的，并且为类似产品的振动优化提供了有价值的参考。同时，项目团队还对优化后的方向盘进行了长期跟踪测试，以验证其在实际使用中的稳定性和可靠性。测试结果表明，优化后的方向盘在长期使用过程中仍能保持较好的振动性能，证明了优化方案的有效性和稳定性。

4 结束语

本文针对行驶工况下某商用车方向盘振动异常增大问题，通过传递路径、频响测试及CAE 分析，判断出方向盘Z 向固有频率与传动系统频率耦合共振。运用有限元方法，快速寻找到降低方向盘振动的优化方案，最后根据提出的优化方案制作样件并装车验证。试验结果表明。优化方案能够有效地降低方向盘的振动，主观评价达到设定目标。将有限元方法与试验测试方法有效结合，可以准确找到问题原因并快速提出解决问题的优化方案，大大缩短问题解决时间。

作者简介：

刘全胜，本科，工程师，研究方向为汽车设计。