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某轻型客车方向盘抖动分析及优化研究

2020-12-15万小明邓磊

汽车实用技术 2020年22期
关键词:方向盘仿真测试

万小明 邓磊

摘 要:某轻型客车存在怠速方向盘抖动现象,实车测试发现方向盘模态频率较低,与发动机怠速二阶激励耦合,根据实际工程问题,建立合适的仿真分析模型,计算了方向盘固有模态特性,并与测试结果进行对比,验证了该建模方法和仿真模型的正确性;在此基础上,提出方向盘频率提升优化方案,将该优化方案实际装车后,怠速方向盘抖动改善明显。本研究提供了一套有效的怠速方向盘抖动优化方法,并取得较好的工程实际应用效果。

关键词:方向盘;抖动;仿真;测试

中图分类号:U463.4  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2020)22-99-03

Abstract: In order to solve steering wheel shake while vehicle idling. Build a CAE model and calculate the modes of the steering wheel, correlate with the Test results, verify the correct of the CAE model. Base on the CAE model, optimize the steering wheel natural frequency. Then the steering wheel shake effect reduced on physical vehicle. Its provide a effective approach to solve the steering wheel shake.

Keywords: Steering wheel; Shake; Simulation; Test

CLC NO.: U463.4  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2020)22-99-03

前言

随着汽车行业的发展及人民生活水平的提高,消费者在购买汽车时,越来越重视汽车NVH(噪声、振动、声振粗糙度),因此,汽车厂商也在努力降低车内的噪声与振动,提升汽车NVH性能。

方向盘是汽车转向系统的一个重要组成部分,驾驶员长期直接接触方向盘,其振动能量直接传递到驾驶员的手和胳膊等部位,严重影响驾驶员的健康和情绪[1]。

汽车怠速是很常用的一种工况,如果方向盘振过大,会导致用户产生不舒适的感觉,从而影响顾客体验,进而影响用户口碑及购买力,因此方向盘抖动的控制极其重要,很多汽车厂商都致力于降低方向盘抖动,提升客户满意度。

本文研究某轻型客车怠速方向盘抖动问题,针对该问题进行了实车测试,建立仿真模型并与实验结果对标,在此基础上,提出优化方案,并最终实车验证优化效果。

1 方向盘怠速抖动机理

方向盘的固有特性一般与整个转向系统有关,转向系统一般包括方向盘、转向管柱、车身横梁、转向机及仪表系统。

汽车怠速时,车辆处于静止状态,只有发动机在工作,故激励源来自发动机,引起方向盘抖动的原因是怠速时发动机激励通过悬置、车身、悬架等传递给转向系统,进而传递至方向盘,如果方向盘的固有频率与发动机激励频率耦合,则极易产生振动放大现象,因此,避免发动机的主要激励频率与方向盘的固有频率耦合是控制汽车方向盘抖动的关键。一般情况下,同一款发动机的怠速主要激励频率是固定的,而方向盘的固有频率也可以通过合理的结构设计控制。发动机怠速时的激励主要为二阶往复惯性力,该激励频率与发动机转速、缸数及冲程数有关,计算公式为:

大部分四缸四冲程发动机的怠速转速为700-1000rpm,对应怠速激励频率为23-30HZ,为避免方向盘在怠速时发生频率耦合而使振动放大的现象,一般要求方向盘的固有频率比发动机二阶激励高5-8Hz。

该轻型客车怠速时发动机转速为750rpm左右。匹配直列四缸四冲程柴油发动机,此类发动机活塞往复运动的二阶惯性力是主要外力[2]。

2 某轻型客车怠速方向盘抖动

2.1 方向盘抖动问题分析

某轻型客车匹配柴油四缸四冲程发动要, 怠速关空调时转速为750rpm,主观评估该车型怠速时方向盘抖动较为明显。通过客观测试得到方向盘X\Y\Z方向的振动加速度值。

初步怀疑方向盘固有频率与发动机二阶激励耦合导致振动放大,因此采用锤击法测试该车方向盘固有频率:X:25.4Hz;Y:27 .4Hz。

根据发动机转速可以换算出该发动机的二阶激励频率为25Hz(不开空调)、26.7 Hz(开空调)。

因此得出该车方向盘X\Y方向的固有频率与发动机二阶激励频率耦合,导致振动偏大,初步优化的目标是将方向盘的固有频率提升至30Hz以上优化解决该抖动问题。

2.2 方向盘仿真模型建立

根据有限元理论,建立方向盘仿真模型,该模型包括车身、转向管柱、方向盘、车身横梁,为减小计算量,可考虑将一些不影响计算精度的零件简化配重处理(如线束、电子锁、皮革等),同时需保证仿真模型与实物一致,建立好的方向盘有限元模型如图3所示:

分析得到的方向盘X向模态为24.56Hz,Y向模态为27.83 Hz,与测试结果较为接近。说明仿真模型的准确性,可用于下一步的优化分析。

根据仿真分析结果,结合应变能云图,发现几个薄弱区域:1)横梁与转向管柱连接支架;2)转向管柱本身;3)横梁与车身前围连接处;

2.3 方向盘抖动优化设计

结合工程可行性,对以上薄弱区域进行优化,优化的原则为:(1)保证大的结构件不重开模具,尽量通过增加支架、或个别调整料厚、增加连接来进行加强;(2)在满足要求的前提下,增加的成本最少。

2.4 CAE优化方案计算结果

对优化后的方向盘重新进行仿真分析,计算得出方向盘的X向模态频率为31.3Hz,Y向模态频率为32.35Hz,仿真分析结果如图所示。

3 方向盘实车测试

将CAE优化方案制作样件装车验证,测试方向盘固有频率为:

从实车测试结果来看,优化后的方向盘模态频率提升较明显,与仿真结果一致,且模态频率已提升了近7HZ,与发动机怠速激励频率分离6Hz以上,避免了耦合现象,同时客观数据显示方向盘振动降为2.5mm/s以下,優于竞品车,主观评估优化明显,可接受。

4 结束语

本文对某轻型客车方向盘怠速抖动问题进行原因分析,建立CAE仿真模型,基于对标后的仿真模型,提出优化方案,并实车验证优化效果明显,解决了怠速方向盘抖动问题,为同类问题解决及同类零部件开发提供了借鉴意义。

参考文献

[1] 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,2006.

[2] 徐传燕.发动机惯性参数和激励力的振动识别方法研究[D].华南理工大学,2012.

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