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某商用车方向盘NVH模态性能仿真优化研究
2021-03-31 11:25:59· 来源：江铃汽车股份有限公司 产品开发技术中心 作者：洪嘉琪
摘要方向盘是商用车转向系统关键部件，对整车NVH性能有重要影响，文章针对某商用车方向盘基础方案和两个优化方案进行了模态CAE研究，CAE分析结果表明，此商用车
摘要
方向盘是商用车转向系统关键部件，对整车NVH性能有重要影响，文章针对某商用车方向盘基础方案和两个优化方案进行了模态CAE研究，CAE分析结果表明，此商用车优化方案NVH模态性能满足目标要求。
关键字：商用车；方向盘；模态
作者：洪嘉琪
单位：江铃汽车股份有限公司 产品开发技术中心
随着国家经济高速发展，人民的生活水平日益提高，商用车销量也得到快速发展，与此同时，人们对于整车NVH品质要求也越来越高。方向盘是驾驶员通过肢体直接接触的汽车部件，方向盘的振动特性对驾驶员的安全行驶有着直接影响，同时方向盘的振动会直接反馈给驾驶员，如果振动过大，不但会降低整车NVH 性能，而且会对汽车的正常行驶，操稳性能和平顺性产生重要影响[1-2]。故研究传动轴NVH 模态性能具有重要的价值和意义。
本文研究源于某商用车新开发方向盘系统，需确保其NVH 模态性能满足设计目标要求，通过有限元方法，基于Nastran 软件，对某商用车方向盘基础方案和优化方案进行了CAE 模态分析，CAE 分析结果表明此商用车方向盘优化方案NVH 模态性能避开了发动机怠速共振频率，性能满足目标。
方向盘基础方案CAE 模态分析
1.1 模态分析理论
结构系统固有模态频率及振型是分析结构振动特性基础，通过模态分析可确定结构的振动特性[3]。
方向盘的振动方程为[3]：
（1）
式（1）中，[M]为结构总质量矩阵；C 为阻尼矩阵；[K]
为总刚度矩阵；{¨q}为加速度向量；{q}为位移向量。
1.2 方向盘有限元模型
本文采用有限元软件Hyperworks 对某商用车方向盘基础方案进行了建模，网格大小为4mm，方向盘骨架材质为镁铝合金，发泡材料为聚氨酯，模型中采用一维Mass 单元模
图1 某商用车方向盘基础方案FEA 模型
1.3 方向盘CAE 模态分析
本文分析了某商用车方向盘基础方案传动轴自由模态，CAE 分析结果如图2 所示，一阶X 向前后摆动模态频率为40.9Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为32.1Hz，三阶Z 向振动模态频率为53Hz，与发动机四阶38Hz 存在潜在共振风险。
图2 方向盘基础方案模态分析结果
方向盘优化方案模态分析
2.1 方向盘优化方案
本文对某商用车方向盘系统进行了优化设计，优化方案opt1 骨架为铝合金材质，优化方案opt2 轮缘为钢材质，轮辐为铝合金材质，如图3 所示。
2.2 方向盘优化方案CAE 模态分析
本文对某商用车方向盘优化方案opt1 进行了自由模态分析，得到如图4 分析结果，一阶X 向前后摆动模态频率为40.5Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为30.7Hz，三阶Z 向振动模态频率为57.3Hz，改善效果较好。
图4 方向盘优化方案opt1 模态分析结果
本文对方向盘优化方案opt2 进行了自由模态分析，得到如图5 分析结果，一阶X 向前后摆动模态频率为40.3Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为30.6Hz，三阶Z 向振动模态频率为57.2Hz，改善效果最好，汇总结果如表1。
图5 方向盘优化方案opt2 模态分析结果
2.3 方向盘CAE_IPI 分析
本文对方向盘系统三个方案进行了IPI 分析，在方向盘12 点方向施在1N 载荷，在方向盘6 点方向观测响应结果，得到图6 分析结果，由图可知，Opt2 方案振动响应幅值最小，优化效果最好。
图6 方向盘IPI 分析结果
结论
本文基于NASTRAN 有限元仿真分析软件，对某商用车方向盘基础方案和两个优化方案进行了CAE 模态和IPI 分析，结果表明：
（1）基础方案一阶X 向前后摆动模态频率为40.9Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为32.1Hz，三阶Z 向振动模态频率为53Hz，与发动机四阶38Hz 存在潜在共振风险。
（2）优化方案通过调整方向盘骨架和轮辐材质，模态频率得到优化，改善效果显著，此商用车方向盘优化方案NVH模态避开了发动机怠速频率，满足设计目标。
参考文献
[1] 赵荣灿.某SUV 高速行驶下方向盘振动分析与减振措施[D]河北:燕山大学,2018.
[2] 徐小剑.基于ABAQUS 的汽车方向盘模态仿真与试验分析[J]上海工程技术大学学报,2019,12(1):12-16.
[3] 王锐,苏小平.汽车副车架强度模态分析及结构优化[J].机械设计与制造,2014,35(4):46-58.
方向盘是商用车转向系统关键部件，对整车NVH性能有重要影响，文章针对某商用车方向盘基础方案和两个优化方案进行了模态CAE研究，CAE分析结果表明，此商用车优化方案NVH模态性能满足目标要求。
关键字：商用车；方向盘；模态
作者：洪嘉琪
单位：江铃汽车股份有限公司 产品开发技术中心
随着国家经济高速发展，人民的生活水平日益提高，商用车销量也得到快速发展，与此同时，人们对于整车NVH品质要求也越来越高。方向盘是驾驶员通过肢体直接接触的汽车部件，方向盘的振动特性对驾驶员的安全行驶有着直接影响，同时方向盘的振动会直接反馈给驾驶员，如果振动过大，不但会降低整车NVH 性能，而且会对汽车的正常行驶，操稳性能和平顺性产生重要影响[1-2]。故研究传动轴NVH 模态性能具有重要的价值和意义。
本文研究源于某商用车新开发方向盘系统，需确保其NVH 模态性能满足设计目标要求，通过有限元方法，基于Nastran 软件，对某商用车方向盘基础方案和优化方案进行了CAE 模态分析，CAE 分析结果表明此商用车方向盘优化方案NVH 模态性能避开了发动机怠速共振频率，性能满足目标。
方向盘基础方案CAE 模态分析
1.1 模态分析理论
结构系统固有模态频率及振型是分析结构振动特性基础，通过模态分析可确定结构的振动特性[3]。
方向盘的振动方程为[3]：
（1）式（1）中，[M]为结构总质量矩阵；C 为阻尼矩阵；[K]
为总刚度矩阵；{¨q}为加速度向量；{q}为位移向量。
1.2 方向盘有限元模型
本文采用有限元软件Hyperworks 对某商用车方向盘基础方案进行了建模，网格大小为4mm，方向盘骨架材质为镁铝合金，发泡材料为聚氨酯，模型中采用一维Mass 单元模
图1 某商用车方向盘基础方案FEA 模型
1.3 方向盘CAE 模态分析
本文分析了某商用车方向盘基础方案传动轴自由模态，CAE 分析结果如图2 所示，一阶X 向前后摆动模态频率为40.9Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为32.1Hz，三阶Z 向振动模态频率为53Hz，与发动机四阶38Hz 存在潜在共振风险。
图2 方向盘基础方案模态分析结果
方向盘优化方案模态分析
2.1 方向盘优化方案
本文对某商用车方向盘系统进行了优化设计，优化方案opt1 骨架为铝合金材质，优化方案opt2 轮缘为钢材质，轮辐为铝合金材质，如图3 所示。
2.2 方向盘优化方案CAE 模态分析
本文对某商用车方向盘优化方案opt1 进行了自由模态分析，得到如图4 分析结果，一阶X 向前后摆动模态频率为40.5Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为30.7Hz，三阶Z 向振动模态频率为57.3Hz，改善效果较好。
图4 方向盘优化方案opt1 模态分析结果
本文对方向盘优化方案opt2 进行了自由模态分析，得到如图5 分析结果，一阶X 向前后摆动模态频率为40.3Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为30.6Hz，三阶Z 向振动模态频率为57.2Hz，改善效果最好，汇总结果如表1。
图5 方向盘优化方案opt2 模态分析结果
2.3 方向盘CAE_IPI 分析
本文对方向盘系统三个方案进行了IPI 分析，在方向盘12 点方向施在1N 载荷，在方向盘6 点方向观测响应结果，得到图6 分析结果，由图可知，Opt2 方案振动响应幅值最小，优化效果最好。
图6 方向盘IPI 分析结果
结论
本文基于NASTRAN 有限元仿真分析软件，对某商用车方向盘基础方案和两个优化方案进行了CAE 模态和IPI 分析，结果表明：
（1）基础方案一阶X 向前后摆动模态频率为40.9Hz，二阶Y 向横向摆动模态频率为32.1Hz，三阶Z 向振动模态频率为53Hz，与发动机四阶38Hz 存在潜在共振风险。
（2）优化方案通过调整方向盘骨架和轮辐材质，模态频率得到优化，改善效果显著，此商用车方向盘优化方案NVH模态避开了发动机怠速频率，满足设计目标。
参考文献
[1] 赵荣灿.某SUV 高速行驶下方向盘振动分析与减振措施[D]河北:燕山大学,2018.
[2] 徐小剑.基于ABAQUS 的汽车方向盘模态仿真与试验分析[J]上海工程技术大学学报,2019,12(1):12-16.
[3] 王锐,苏小平.汽车副车架强度模态分析及结构优化[J].机械设计与制造,2014,35(4):46-58.
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