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1 第 35 卷 第 5 期 2015 年 5 月 北京理工大学学报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology Vol.35 No.5 May2015 某车型转向系统 NVH 性能分析与优化 李健 1, 李彬 1, 张豫宁 1, 徐天富 2 (1. 广西科技大学广西汽车零部件与整车技术重点实验室, 广西, 柳州 ; 2. 北京理工大学宇航学院, 北京 ) 摘要 : 针对某车型怠速时转向系统 NVH 性能存在的问题, 采用仿真分析与实验测试相结合的方法, 对汽车转向系统进行动力学特性分析. 建立转向系统的有限元模型并对其进行仿真分析, 通过转向系统客观振动测试和模态测试, 验证了有限元模型的正确性. 为了有效解决汽车怠速共振问题, 基于有限元方法对转向系统进行尺寸优化, 优化后系统 NVH 性能改善明显, 达到了汽车舒适性的要求, 验证了基于 CAE 仿真方法对转向系统振动特性优化的可行性. 关键词 : 转向系统 ;NVH; 实验测试 ; 数值仿真中图分类号 :TD452 文献标志码 :A 文章编号 : (2015) DOI: /j.tbit NVHPerformanceAnalysisandOptimization ofavehiclesteeringsystem LIJian 1, LIBin 1, ZHANG Yuṉing 1, XU Tiaṉfu 2 (1.GuangxiUniversityofScienceandTechnology,GuangxiKeylaboratoryofAutomobileComponentsand VehicleTechnology,Liuzhou,Guangxi545006,China;2.SchoolofAerospace Engineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China) Abstract:TosolvetheNVH performanceproblemsexistinginthesteeringsystem duringidling periodofacar,a methodcombiningsimulationanalysiswithexperimentaltestwasappliedto analyzethedynamicfeaturesofthesteeringsystem.a finiteelement modelofthesteering system wasestablishedandasimulationanalysisonthe modelwasundertaken.throughan objectivevibrationtestandamodaltest,thecorrectnessofthefiniteelementmodalwasverified. Astotheidlingresonanceprobleminthecare,asizeoptimizationonthesteeringsystem was conductedbasedonthefiniteelement method.theoptimizedsystem wasgreatlyimprovedin NVH performanceandtherequirementforthecomfortofthevehiclewasmet.theresultsverify thefeasibilityofoptimizingthevibrationfeaturesofthesteeringsysteminthecaesimulation method. Keywords:steeringsystem;NVH;experimentaltest;numericalsimulation 随着 CAE 技术的飞速发展, 利用 CAE 分析技 术进行仿真分析并结合实验测试来考核汽车构件的 强度 振动特性和耐久性等已经在现代汽车设计和 分析中得到广泛的应用. 转向系统是汽车底盘中的 一个重要部分, 其性能直接影响到汽车行驶平顺性 和操纵稳定性, 且其对汽车 NVH(noise vibration 收稿日期 : 基金项目 : 广西重点实验室建设项目 ( ); 广西科技大学博士基金资助项目 (12Z07); 广西车辆零部件先进设计制造重点实验室开放基金资助项目 (2012KFMS01) 作者简介 : 李健 (1980 ), 男, 博士, 教授, lijian0772@126.com.

2 456 北京理工大学学报第 35 卷 [13] harshness) 性能影响很大. [4] 周萍等提出一种基于响应面方法的汽车转向 系统固有频率优化方法, 以此为基础对转向系统进 行优化, 结果表明转向系统 1 阶固有频率得到提高, 转向系统质量得到减小, 并且振动得到抑制. 谢暴 [5] 等对方向盘模态进行了分析, 通过数值模拟分析 和试验验证, 最终获得了改善方向盘怠速抖动的改 [6] 进方案. 詹长书等建立了转向系统的 Simulink 仿真模型, 确定了控制系统的结构后, 对给定信号进 行低通滤波, 同时采用转向盘扭矩反馈和电流环反 馈进行闭环控制, 降低了系统的跟踪误差. 史文库 [7] 等利用振动测试与模态分析方法研究了方向盘怠 速抖动的原因, 提出了两项改进措施, 并通过试验验 证了改进措施的有效性. 本文作者首先采用 LMSTest.Lab 振动测试系 统的 SignatureTesting-Standard 模块对某车型转 向系统进行客观振动测试. 然后利用 LMS Test. Lab 的 ImpactTesting 模块对该车型转向系统进行 模态验证, 获取转向系统的模态参数. 随后利用 Hypermesh 有限元软件对该车型转向系统进行建 模, 并结合 MSC.Nastran 对求解结果进行仿真分 析. 通过实验测试结果与仿真分析结果的对比, 验 证了有限元模型的正确性. 以此为基础, 针对汽车 在怠速状态下振动较大的问题, 基于有限元方法对 转向系统进行尺寸优化, 并经过主观评价 实车客观 测试 模态试验, 证明该优化方案对转向系统振动改 善效果显著, 整车 NVH 性能得到较大提升. 同时 也证明了本文中试验与 CAE 相结合的优化方案, 在改善方向盘振动方面有较好的工程可行性和实用 性, 为今后转向系统的 NVH 工程设计与优化提供 有益参考. 1 实验测试 由于本文研究车型怠速时转向系统主观评价与 整车 NVH 指标相距较远, 主观感受方向盘振动较 大, 未达到设计要求的目标值, 影响整车 NVH 品 质. 故需对该车型转向系统进行实车测试, 找出引 起方向盘振动较大的原因. 试验首先采用 LMS Test.Lab 振动测试系统 Signature Testing- Standard 模块对方向盘进行怠速振动的客观测试, 方向盘振动频谱采集结果如图 1 所示, 从图中可以 看出, 方向盘 x 向振动最大, 其振动最大峰值达到 5.10m/s 2. 图 1 方向盘振动频谱 Fig.1 Vibrationspectrumofsteeringwheel 依据 GB/T /ISO 国家标准 : 用来描述振动幅值的基本参量是频率计 权加速度的均方根值 RMS. 一般要求, 振动评价是 基于 x,y,z 轴振动的矢量和, 即频率计权均方根加 速度的振动总值 RSS, 其定义为 3 个轴向 RMS 值 平方和的方根 d RSS = x 2 RMS +y 2 RMS +z 2 RMS. (1) 怠速振动的客观测试结果显示 :x 向 RMS 值为 0.83m/s 2 ;y 向 RMS 值为 0.42m/s 2 ;z 向 RMS 值 为 0.34m/s 2 ; 方向盘 RSS 值为 0.99m/s 2, 振动较 大, 不能满足甲方项目组设定的方向盘怠速振动量 不高于 0.50m/s 2 的要求. 经分析可知, 转向系统 怠速振动主要是由发动机怠速工况下的 2 阶往复惯 性力激励产生, 其频率与车辆搭载的发动机汽缸数 [8] 和怠速转速有关. 由于该车型为 4 缸发动机, 其 激振频率范围为 20~30Hz, 而从图 1 的采集数据 上无法断定转向系统是否和发动机激励发生共振, 故需要先了解该车转向系统的模态特性. 模态实验选择的测点. 首先从方向盘正上方 1 点位置开始顺时针布置 4 个测点, 相邻两测点间 隔 90, 第 5 个测点布置在方向盘中心, 这样布置是 为了得出方向盘模态振型, 进一步了解方向盘的模 态特性. 实验测试方法 : 力锤在 1 点位置 x 向 2 点 位置 y 向 5 点位置 z 向分别敲击 3 组, 每组敲击 5 次, 确保数据一致性. 利用 LMSTest.Lab 的 ImpactTesting 模块对 模态试验进行参数识别及振型分析, 方向盘模态测 试结果如表 1 所示. 一般要求转向系统安装状态下 的 1 阶模态频率不得低于 35Hz. 从表 1 可以看出, 方向盘 1 阶固有频率为 28.42Hz,1 阶固有频率频 率偏低, 刚度较弱. 目前汽车上常见的都是 4 冲程发动机, 对于缸

3 第 5 期 李健等 : 某车型转向系统 NVH 性能分析与优化 457 数为 i 的发动机, 其 i/2 谐次的振幅最大 ( 称之为第 一主谐次 ), 第一主谐次对应的频率 f 按下式进行 计算 [9], Tab.1 表 1 方向盘振动模态试验结果 Modaltestresultsofvibratedsteeringwheel 阶数 固有频率 /Hz 振型 阻尼比 /% 上下抖动 左右抖动 上下抖动 2.51 f= n 60 i 2. (2) 式中 :n 为曲轴转速,i 为气缸数. 该车型是 4 缸 4 冲程发动机, 怠速时发动机转速为 850r/min, 按 式 (2) 计算怠速时发动机激励为 28.33Hz, 而方向 盘 1 阶固有频率为 28.42Hz, 故方向盘固有频率在 发动机激励下会发生共振. 为了避免方向盘的怠速 共振, 要求转向系统中方向盘的 1 阶振动频率高于 发动机的怠速激振频率. 为了进一步确定怠速时方 向盘振动较大的原因, 同时为了有效节约成本, 提高 车型开发效率, 基于有限元软件对转向系统进行 CAE 仿真分析. 2 转向系统有限元分析 2.1 有限元模型建立 本文利用 Hypermesh 有限元软件对转向系统 进行有限元模型的建立. 在保证有限元模型计算准 确性的前提下, 对模型进行了必要的简化处理, 如安 全气囊采用集中质量进行模拟. 模型单元总数为 294,264 个, 其中钣金件均采用 shel 单元进行模 拟, 方向盘 十字节采用实体单元模拟, 缝焊和螺栓 均采用 RBE2 单元模拟. 2.2 模态分析 基于已经建好的有限元模型, 利用 MSC. Nastran 对其进行求解, 计算结果如表 2 所示. 表 2 转向系统仿真结果和试验结果对比 Tab.2 Comparisionofsimulationandtestresultsforsteering system 阶数试验结果 /Hz 仿真结果 /Hz 误差 /% 振型分别为方向盘上下抖动及方向盘左右抖 动. 为了验证有限元模型在模态分析时的正确性, 将模态参数的仿真结果与实验测试结果进行对比. 从表中可以看出, 有限元仿真结果与实验测试结果 吻合得较好, 误差均保持在 7% 以内, 其中 1 阶固有 频率的误差为 1.51%, 通过对比转向系统的模态结 果, 验证了有限元模型的正确性. 2.3 模态优化 针对该车型怠速时方向盘 1 阶固有频率与发动 机激励频率共振, 导致怠速时方向盘振动较大的问 题. 结合该车发动机为 4 缸发动机, 其激振频率范 围为 20~30Hz, 加上激振频率 3Hz 的原则, 转向 系统置于整车中的模态会较自身模态下降 3Hz, 同 时考虑到发动机转速波动等因素, 转向系统置于整 车中的 1 阶模态目标值设置为大于等于 37Hz. 从 表 2 可知, 转向系统仿真的 1 阶模态频率仅为 28.85Hz, 与目标值差距明显, 因此需要对转向系统 进行优化, 以解决怠速时的抖动问题. 在支架几何拓扑结构不可能大幅修改的情况 下, 转向系统各零件的厚度成为影响模态频率的主 要因素. 如何合理分配零件厚度, 在保证系统质量 较轻的情况下, 满足 NVH 性能对模态特性的要求, 成为转向系统优化的关键问题. 本文作者采用灵敏度分析方法对零件厚度进行 优化, 利用 MSC.NastranSOL200 求解器, 分析各 零件厚度对整体质量和各阶模态频率的灵敏度, 再 根据灵敏度的大小优化钣金件的厚度. 该转向系统 共有 51 个零件, 取其中对模态频率和整体质量影响 较大的 16 个零件的厚度作为设计变量. 优化约束 条件为方向盘的上下及左右抖动频率高于 37Hz, 优化目标为整体质量最小, 厚度变化步长为 0.1mm, 具体如下. 优化目标函数 : 16 ming(x)=ρ S ix i, (3) i=1 优化约束条件 : F 1 37;F 2 37, (4) 式中 : ρ 为材料密度 ;x i (i=1,2,,16) 为优化变量 即板厚 ;S i 为零件板材面积 ;F 1 F 2 分别为转向系 统的第 1 阶和第 2 阶约束模态频率, 即方向盘的上 下和左右抖动频率, 变量设置及优化结果见表 3, 其 中零部件编号所对应的结构如图 2 所示. 从实验测试与仿真结果可以看出, 转向系统 1 阶模态频率并未达到要求, 因此需要根据 1 阶模 态灵敏度进行优化, 具体优化思路如下. 1 将 16 个优化变量依据 1 阶模态灵敏度值从

4 458 北京理工大学学报第 35 卷 大到小排列 ; 零件号 初始厚度 /mm 表 3 优化变量及优化结果 Tab.3 Optimizedvariablesandresults 质量灵敏度 一阶模态灵敏度 二阶模态灵敏度 优化范围 /% 优化结果 G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± G ± 小, 对 1 阶模态频率灵敏度较高的零件厚度增加较大,1 阶模态灵敏度较低的零件厚度增加较小. 从表 3 可以看出, 支架 G01~G06 的 1 阶模态灵敏度数量级为 10 0 以上, 数量级较大, 说明支架 G01~ G06 是影响转向系统模态频率的主要因素, 因此设计中更注重这 6 个支架的结构和厚度, 在优化时对其零件厚度增加较大 ;G07~G13 的 1 阶模态灵敏度数量级为 10-1, 数量级居中, 零件优化厚度较小 ; G14~G16 的 1 阶模态灵敏度最小, 数量级为 10-2, 优化时零件厚度增加最小. 综上所述,G01~G06 设计变量的优化范围取其厚度的 ±50%,G07~G13 设计变量的优化范围取其厚度的 ±30%,G14~G16 设计变量的优化范围取其厚度的 ±20%. 3 转向系统优化前后对比分析 3.1 优化前后有限元对比分析在经过 CAE 优化后, 再次采用 MSC.Nastran 有限元软件对转向系统的模态进行仿真分析, 并与优化前的结果对比, 优化前后转向系统模态频率对比见表 4. 从表 4 可以看出, 转向系统优化后, 各阶频率都有相应的提升, 其中方向盘的 1 阶抖动频率从 Hz 提高到 Hz, 达到了目标值 37.00Hz 的要求. 表 4 优化前后转向系统模态对比 Tab.4 Comparisonofmodalforsteeringsystem beforeand afteroptimization 阶数 优化前 /Hz 优化后 /Hz 图 2 优化变量在模型中对应的零件编号 Fig.2 Correspondingpartsofoptimizedvariablesinthemodel 2 辅以质量灵敏度 2 阶模态灵敏度优化修正 ; 3 从工程实际考虑, 依据转向系统不同钣金零件取其适宜的厚度优化范围 ; 结合以上 3 点, 依据 1 阶模态频率灵敏度的大 3.2 优化前后实验测试对比分析在进行实车试验前, 本文首先选取了两辆车进行主观评价, 其中 1 号车未优化转向系统,2 号车按照 CAE 分析方案进行了转向系统的优化. 主观评价结果 :2 号车相比 1 号车, 在怠速手握方向盘时, 感觉方向盘振动明显减小. 然后采用 LMS Test. Lab 的 SignatureTesting-Standard 模块, 对怠速工况下方向盘振动进行客观测试, 并与优化前测试结果进行对比分析, 具体如表 5 和图 3 所示. 从表 5 中可以看出, 优化后方向盘振动 RSS 值由 0.99m/s 2 降到了 0.41m/s 2, 振动降低了 59%, 达到目标值 0.50m/s 2 的要求.

5 第 5 期 李健等 : 某车型转向系统 NVH 性能分析与优化 459 表 5 优化前后方向盘振动加速度对比 Tab.5 Comparisonofaccelerationforsteeringwheelbefore 方案 andafteroptimization xrms/ yrms/ zrms/ RSS/ 优化前 优化后 表 6 转向系统优化前后模态测试结果对比 Tab.6 Comparisonofmodaltestresultsforsteeringsystem beforeandafteroptimization 阶数 优化前 /Hz 优化后 /Hz 结论 图 3 优化前后方向盘振动频谱对比 Fig.3 Vibrationspectrumcomparisonofsteeringwheelbefore andafteroptimization 从图 3 可以看出, 优化后怠速振动较优化前明 显减小. 可见优化后转向系统与发动机激励频率基 本实现了分离, 从而有效控制了怠速工况下方向盘 的振动水平, 转向系统 NVH 性能得到较大提升. 为了进一步确定优化后转向系统的特性, 验证 主观评价的正确性 怠速振动客观测试结果的准确 性及 CAE 优化方案的可行性, 采用 LMSTest.Lab 的 ImpactTesting 模块, 对优化后转向系统进行模 态试验, 并将试验结果与优化前试验结果进行对比 分析, 具体如表 6 所示. 从表中可以看出, 转向系统 1 阶固有频率从 28.42Hz 提高到 38.34Hz, 提高了 34.90%, 基本避开了 4 缸发动机怠速激励 20~ 30Hz 的频率范围, 转向系统振动改善效果显著, 整 车 NVH 性能提升明显. 为了有效提高某车型转向系统 NVH 性能, 节省设计时间和成本, 采用仿真分析与实验测试相结合的方法, 对转向系统进行动力学特性分析. 经过本文对转向系统和发动机激励共振的以上探讨, 得出如下结论 : 1 基于 CAE 仿真分析技术, 对转向系统进行尺寸优化设计. 依据转向系统 16 个零件模态灵敏度大小, 结合质量灵敏度和 2 阶模态灵敏度综合分析, 从工程实际出发, 提出了合理的零件厚度优化方案 : 对影响转向系统模态频率最大的 6 个零件, 尺寸优化范围取其厚度的 ±50%, 影响其次的 7 个零件优化范围取其厚度的 ±30%, 影响最小的 3 个零件优化范围取其厚度的 ±20%. 2 通过 LMSTest.Lab 振动测试系统对转向系统进行客观振动测试和模态测试, 验证了 NVH 主观评价的准确性和 CAE 优化方案的正确性. 测试数据表明转向系统优化后, 方向盘振动 RSS 值从 0.99m/s 2 降到 0.41 m/s 2, 达到目标值 0.50 m/ s 2 的要求. 方向盘 1 阶固有频率从 28.42Hz 上升到 38.34Hz, 成功避开发动机怠速激励 28.33Hz, 使转向系统 NVH 性能得到显著提高. 3 采用 CAE 仿真分析与实验测试相结合的办法, 精确定位怠速方向盘与发动机共振问题, 精准使二者避开共振, 并成功地解决了怠速方向盘抖动问题. 证明了试验与 CAE 仿真相结合的解决方案, 在改善方向盘振动方面有较好的可行性和实用性, 为今后转向系统的 NVH 设计与优化提供有益参考. 参考文献 : [1] 纪广昊. 方向盘系统有限元建模及动静态特性分析 [D]. 沈阳 : 东北大学,2010. Ji Guanghao. Finite element modeling and dynamic analysis of steering wheel system [D]. Shenyang: NortheasternUniversity,2010.(inChinese) [2]Kim K C,ChoiH,Kim C M.Astudyontheadvanced

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