汽车转向系统低频共振研究

汽车转向系统低频共振研究

王志强

安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽合肥 230000

摘要：汽车的各个组成部分中，转向系统的设计是整个底盘设计的重要部分。在全车的NVH性能开发中，转向系统的震动是重要影响因素。转向系统包括转向器、转向传动以及转向操作结构，而转向操作结构包括了方向盘、转向柱和传动轴。汽车转向系统低频共振主要表现就是方向盘共振，汽车在低速行驶时转向盘出现振动，本文就某品牌轿车进行举例说明，简述低频共振的问题产生的原因，通过实验和探究提出解决方案，并且予以验证。

关键词：NVH研究；汽车转向系统；低频共振

引言：在汽车各项性能中，人们对NVH这一性能的敏感度极高，它的优劣会直接影响自身在市场中的竞争力。在这一性能的开发中，汽车转向系统共振是产生问题的重要因素，转向系统低频振动的主要原因就是发动机的怠速激励，转向系统的震动是驾驶人员最先感知，会影响驾驶车辆的舒适性，所以，转向系统的设计非常重要，在设计方面对转向系统进行优化，有助于为后期的各类型的汽车开发做出贡献。

1. 汽车转向系统共振问题的分析

汽车转向系统低频共振基本上在汽车怠速前进时，转向系统受到发动机怠速刺激发生的低频率振动，发动机怠速工作下的刺激主要是往返的惯性造成，共振的频率和汽车发动机的转数和搭载的缸数相关。

常用车型的怠速通常为800-1100r/min，共振频率大概是24-35Hz（四缸汽车）、36-52Hz（六缸汽车）。一般情况下，驾驶员对方向盘的共振敏感度最高，再车况没有进行优化的前提下，转向系统模式在30H往下，这就容易在四缸发动机怠速下，与转向系统发生低频共振。为了更好的找到转向系统低频共振的原因，我们通过对TB上的转向系统做出分析和计算。TB模态和转向柱莫泰都不能满足要求，转向系统在TB中1阶模态是28.5Hz，在实验中若空调在开启模式下，怠速的平均频率为28Hz，跟转向系统的频率产生耦合，导致低频共振。为此，进一步找出其中不足的原因，通过对转向系统模型做出了应变能的分析研究。实验中，转向系统应变能集中在转向柱上、转向柱与CCB连接架、CCB和车身连接架等。发动机在行驶中通过车结构的包若处传导到转向盘，从而引起低频共振。在汽车低频共振的问题，以及在新车的开发过程能够遇见的转向盘低频共振的情况，主要应该根据CAE的方法进行研究分析或进行模态实验进行分析转向系统共振问题，首先，对车辆的转向系统的结构进行优化，根据CAE模型的分析，得出转向系统固有的震动频率和震动形式，充分了解系统的特性；其次，通过对转向系统进行模态实验分析，得出转向系统实际的震动频率和振型；最后，通过对转向系统的设计和改进，融合CAE进行可行性分析，对改进后的转向系统进行验证和评估。转向系统是多个系统组合而成，整体的刚度根据转向柱、支架及仪表显示板横梁决定。统一转向柱可以用于不同的汽车类型，因此，必须要将转向系统的刚度和模态实验的因素充分在设计中细致考虑，从而形成设计标砖，知道汽车转向系统的设计开发创新。

2. 汽车转向系统低频共振的优化

根据转向系统模态车型和车辆怠速行驶的频率耦合现象，针对汽车低频共振的现象，需要对转向系统模态进行技术上的提高，那么就需要对车型的转向系统内部结构进行优化，主要包括一下几个方面，首先，是优化汽车前、后的转向柱。在转向管柱和CCB的连接部件处，增加加强筋；其次，就是将管柱外的套筒外径由40mm增厚至45mm；再次，就是将汽车的U型板的结构的两侧，保留并且加宽焊接到支架上；最后，就是转向柱和CCB连接支架的整体厚度由3.2mm加厚至4mm，优化后的转向系统在TB垂向模态下变为38.6Hz，横向模态下为40.37Hz，相比最初的状态有了很大的提升，并且也满足了当初设定的目标和要求，转向柱的单体模态也满足了原本的设计要求，由此可见，将CAE技术应用到设计优化阶段，能更好的对转向系统NVH的性能进行控制和把握，对汽车转型系统的低频共振给予更好的解决方案。

3. 汽车转向系统优化后的验证

为了证明CAE方针设计的有效性，对于优化后的额转向系统在全车的形势下做了以下的实验、测试。在转向模态测试设备进行测试时，转向系统处在整车安装的制约情况下，通过锤击的方式对壮行系统进行刺激，来测试方向盘和转向管柱各处的振动反馈。优化后全车状态转向系统模态测试，1阶状态垂向的摆动频为38.9Hz，1阶状态下横向摆动频率是43.1Hz，指数都大于目标设定的38Hz，并且，垂向和横向的振动频率差大于3Hz。优化后的转向系统振动模态，实验的车型怠速行驶时发动机的转速是750-850r/min，而与之相对应的2阶震动频率是25-25Hz，在优化后，转向系统模态振动频率相差大于10Hz，这也就可以避免了发动机怠速行驶时2阶状态引起的低频共振问题。转向系统怠速形势下空调开启状态优化后的方向盘振动问题，其中方向盘的X想振动速度是0.39m/s2降低到0.10m/s2，能量渐弱74%；转向柱和CCS连接的U型架Y向振动加速也由0.34m/s2降低到0.13m/s2，能量削弱62%；Z向振动加速也由0.29m/s2降低到0.10m/s2，能量减弱66%。通过这些实车的实验证明，根据CAE设计方针和模态试验对汽车进行优化，大大减少了汽车转向系统低频共振的情况，为以后的汽车优化设计奠定了基础。

总结：

汽车设计工程师在设计汽车的时候大多数以经验为前提，很少运用成熟的设计理念和分析方式。在汽车设计师，需要结合各车型的转向系统NVH特性的开发研究，对转向系统进行模态优化的研究，为了减小汽车在怠速行驶时转向系统的低频共振。通过对现有有限的模型的模态分析、设计优化、试车检验，最后形成一套完整的汽车设计优化的指导标准，对各种汽车类型的开发都具有重大的价值。

参考文献：

[1] 陈南. 汽车振动与噪声控制[M]. 北京：人民交通出版社，2019，(07):110-112.

[2] 庞剑，谌刚，何华．汽车噪声与振动：理论与应用[M]．北京：北京理工大学出版社，2020,(03):213-214.

[3] 邵慧. 基于底盘激励的汽车高速状态转向系统抖动分析及优化[D]. 长沙：湖南大学，2019,(11):23-25.