方向盘振动分析与优化
报告
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同济大学
2010年9月1日
1 方向盘振动摸底试验
1.1 试验目的
通过试验测量方向盘在各个工况下的振动大小，了解并量化方向盘振动的特性，找出振动的问题峰值，确定优化的目标频率。
1.2 试验方法
通过在方向盘上安装一个三向加速度传感器来测量方向盘振动信号。传感器安装于图1所示坐标系原点位置，坐标系选择如图1所示。
所测量工况有怠速、2档和3档以及最高档加速工况、高速巡航工况（60km/h~120km/h，每隔10km/h，此外增加95km/h和105km./h）、滑行工况（slidup、sliddown、coastdown）。
图1 方向盘振动分析坐标系示意图
1.3 方向盘振动试验数据分析结果
通过对摸底试验得出的数据作分析，得出以下两个主要的结论：
1.3.1 在所有工况下，Z向的振动都比其它两个方向的振动要严重。如下面两图是怠速工况下方向盘三个方向的振动信号在频域的对比。
图2 怠速工况方向盘振动频谱图
1.3.2 方向盘振动峰值主要集中在20-106的频率范围内。在所有工况的振动峰值里，110km/h(28Hz), 105km/h(28Hz), 70km/h(38Hz)的振动是最严重的；而怠速工况的使用频率比较高，其峰值（26Hz）也很重要；60，80，120km/h的32Hz振动也是很明显的。
图3 20至106Hz方向盘振动频谱峰值图
图4 110km/h(28.95Hz), 105km/h(27.65Hz), 70km/h(38Hz), 怠速（26.64Hz）
方向盘振动频谱图
图5 60、80和120km/h工况下30Hz附近峰值
2 方向盘模态试验
2.1 试验目的
通过试验确定方向盘在安装状态下的固有频率，以判断是否有共振现象导致方向盘的振动问题。从摸底试验的结果可以看出，方向盘振动的问题主要是Z向振动比较大，因此模态试验的目的是测量方向盘在Z向振动的固有频率。
2.2 试验
方案
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在台架车上，安装状态下，沿方向盘外沿布置8个加速度传感器，于方向盘正中布置一个，方向均为Z向。用力锤在图6所示位置敲击，测量方向盘的加速度响应，以此分析出方向盘在Z向振动的固有频率。
图6 方向盘模态试验
2.3 试验结果
通过对模态试验所得数据进行分析，得出方向盘Z向的固有频率如表1所示。与摸底试验结果对比，可以发现，方向盘Z向第1、2阶的固有频率均与问题频率接近，图4中黑粗竖线表示方向盘Z向第1阶的固有频率，图5中黑粗竖线表示方向盘Z向第2阶固有频率。
从模态试验结果可以看出，方向盘在固有频率下的共振是导致方向盘振动的原因之一。尤其是方向盘Z向一阶频率与发动机怠速下的二阶频率非常接近，极易被激发出来。
表1 方向盘Z向固有频率
阶次
频率
1
26.7
2
29.9
3
48.6
4
61.1
5
100.2
3 转向系统仿真模态分析
3.1 转向系统仿真模态分析目的
通过对转向系统作仿真模态分析，可以找出在模态频率下，转向系统发生较大应变的区域，这表示在该区域转向系统的刚度不够。针对该区域的结构加强将能够增加其刚度，提高该阶模态的固有频率，并进而与激励信号的频率错开，避免结构的共振，降低方向盘的振动响应。
3.2 传真计算结果
通过对转向系统建立有限元模态，计算出其在前两阶模态下的应变，如图7与图8所示。可以看出，主要的变形发生在转向管柱与方向盘连接的一段，以及轮辐支撑杆上。这也是需要加强的地方。
图7 第一阶模态振型图
图8 第二阶模态振型图
4 优化方案的提出
在摸底试验中我们确定了方向盘振动的问题，又通过方向盘的模态试验找出了其固有频率，发现存在模态频率下的共振现象。又通过传真分析，确定了转向管柱与方向盘连接的一段，以及轮辐支撑杆是需要加强刚度的地方。因此我们提出如下的优化方案：
转向管柱近方向盘段半径增加2mm（如图所示）；轮辐支撑杆半径增加4mm左右（如图。
图9 转向管柱改进
图10 轮辐支撑杆改进
5 优化方案效果预测
在传真模型中实现优化方案，计算其对于提高转向系统固有频率的效果。计算结果如表2所示。
表2 固有频率提高效果预测
第一阶频率提高量（Hz）
第二阶频率提高量（Hz）
转向管柱改进
0.8
1.7
轮辐支撑杆改进
2.2
4
转向管柱改进+轮辐支撑杆改进
3.4
6.8
浙公网安备 33021202002483