商用车方向盘怠速抖动控制研究.docVIP

商用车方向盘怠速抖动研究 邬广铭1 史文库2 陈志勇2 （1. , 郑州 450061； 2. 吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室, 长春 130022） 摘　要：汽车方向盘怠速抖动严重影响驾驶舒适性，本文利用振动测试与模态分析方法研究方向盘怠速抖动原因，发现方向盘工作状态模态频率与发动机二阶激励频率相近，从而引起方向盘共振。为降低方向盘振动，本文提出项改进措施，包括结构优化，方向盘轻量化设计加装动力吸振器。最后通过试验验证了改进措施的有效性。 关键词：方向盘；怠速抖动；结构优化；轻量化设计；动力吸振器 中图分类号：U463.4 文献标识码：A 在现代，随着物质生活和精神生活水平的逐渐提高，人们越来越注重周边环境的和谐，对汽车乘坐的舒适性与安全性提出更高的要求。在当前这种环境下，各个汽车厂家对汽车乘坐舒适性加大了研究力度[1]。 怠速时，方向盘抖动会给驾驶员带来较大麻烦，尤其是在城市道路行车时经常遇到红绿灯，需要经常地停车、开车，使得驾驶员的手臂有麻木感，影响驾驶员的驾驶心情和情绪[2]。 本文针对怠速时方向盘剧烈抖动现象的问题进行深人的研究分析，并对方向盘抖动现象进行抑制。(1 方向盘抖动原因分析 1.1 方向盘振动测试 汽车在怠速时，其最大的激励源就是发动机的振动。引起方向盘抖动的原因，主要为动力总成的振动传递到车架及车身上。 图1为汽车驻车状态下，缓油门加速时，方向盘各向振动加速度均方根值随发动机转速变化图。方向盘的坐标系与整车坐标系一致。从图1可以看出，当发动机转速为890r/min左右时，方向盘的X向和Z向抖动最为严重；而当发动机转速为1000r/min左右时，方向盘的Y向抖动最为严重。为确定方向盘振动的激励，分别对三向加速度进行阶此跟踪(图2、图3和图4)。可以看出，发动机的2阶点火频率对方向盘的抖动起到主要的影响作用，在890r/min左右(对应发动机2阶点火频率约为29.5Hz)对方向盘X向和Z向的抖动的影响最为严重，在1000r/min左右(对应发动机2阶点火频率约为33.3Hz)对方向盘Y向的抖动影响最为严重。在怠速工况(发动机转速为800r/min)下，发动机二阶点火频率。 图1 定置匀加速工况下方向盘各向振动加速度均方根值 Fig.1 RMS value of acceleration in each direction 图2 定置匀加速工况下方向盘X向加速度跟踪 Fig.2 order tracking of acceleration in X direction 图3 定置匀加速工况下方向盘Y向加速度跟踪 Fig.3 order tracking of acceleration in Y direction 图4 定置匀加速工况下方向盘Z向加速度跟踪 Fig.4 order tracking of acceleration in Z direction 1.2 转向系统模态分析 对约束状态下的转向系统进行有限元模态分析，得到其固有频率及振型，并用试验模态验证。 1.2.1 有限元模态分析 建立转向系统和仪表台横梁相连接的三维模型，导入HyperMesh中进行网格，所有部位之间均按实际情况进行连接，边界条件和约束均采用实际情况进行模拟。有限元模型如图所示。有限元模型在OptiStruct中采用Lanczos方法进行模态分析[3][4]。约束状态下的转向系统前五阶有限元模态频率如表1所示，其中第四阶有限元模态频率(28.08846Hz，振型为转向管柱相对横梁俯仰运动，图)与缓油门加速时X向和Z向的峰值频率(29.5Hz)接近；第五阶有限元模态频率(33.60545Hz，振型为转向管柱相对横梁左右运动，图)与缓油门加速时Y向峰值频率(33.3Hz)十分接近。 图 转向系统网格模型 Fig. FE model of steering system 图 转向系统第四阶有限元模态振型(28.08846Hz) Fig. The 4th modal shape (28.08846Hz) 图 转向系统第五阶有限元模态振型(33.60545Hz) Fig. The 5th modal shape (33.60545Hz) 1.2.2 试验模态分析 在有限元建模过程中，由于对转向系统模型进行了少量的简化，使有限元模型与实际结构不同。因此有必要对约束状态下的转向系统做模态试验，以验证有限元分析的可靠性。 试验中采用锤击法测试转向系统的测点加速度响应，并提取系统的模态参数[5][6][7]。转向系统的测点布置如图所示。图为力锤激振点。为测出转向系统各个方向的模态，在激振点需对X向和Y向分别激振。 图 测点布置 图 力锤激振点 Fig. Meas