汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的模態(tài)試驗分析與應(yīng)用

廖夢楠

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

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汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的模態(tài)試驗分析與應(yīng)用

廖夢楠

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

模態(tài)分析與試驗技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，為汽車零部件乃至整車動態(tài)特性分析提供了有效的手段。而轉(zhuǎn)向管柱總成作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最基本組成部分之一，是決定汽車行駛安全性與可靠性的關(guān)鍵部件。通過大量的試驗數(shù)據(jù)支撐，介紹了汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的幾種模態(tài)試驗，包括振動耐久試驗、共振頻率測定、動剛度測試，對比分析了測試產(chǎn)品共振頻率的兩種試驗方法。

轉(zhuǎn)向管柱；模態(tài)分析；振動；共振頻率；動剛度

0　引言

方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動軸等構(gòu)成了汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)，它是將駕駛員作用在方向盤上的力矩傳遞到轉(zhuǎn)向器的裝置，對汽車的行駛安全性與可靠性起著至關(guān)重要的作用。 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，人們越來越關(guān)注此類安保件的設(shè)計性能和質(zhì)量要求。其中，對轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的模態(tài)分析則成為了保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)是一個無限多自由度的振動系統(tǒng)，在外界時變激勵作用下將產(chǎn)生振動，當(dāng)外界激振頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時將產(chǎn)生共振。因此，如果轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的一階模態(tài)頻率過低，與發(fā)動機的怠速頻率重合就會產(chǎn)生共振；而持續(xù)長時間的振動則容易導(dǎo)致零件松動，影響汽車操縱性。為了避免產(chǎn)生共振、降低噪聲、確保汽車安全可靠、提高其行駛平順性，模態(tài)試驗不僅是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計性能優(yōu)化及故障診斷的重要方法，同時，更為性能評估提供了一個強有力的工具。

1　模態(tài)分析理論

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)均有其特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，而這樣一個計算或試驗分析的過程稱為模態(tài)分析。模態(tài)分析的解析可采用有限元等方法計算實現(xiàn)。模態(tài)試驗則是對被試機構(gòu)進(jìn)行可測可控的動力學(xué)激勵，同時測量系統(tǒng)的輸入和輸出信號,并對其進(jìn)行數(shù)字處理,得出被測機構(gòu)的頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù),從而求得一系列機構(gòu)固有的動態(tài)參數(shù)。

模態(tài)分析的最終目的是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為各類零部件的振動特性分析、故障診斷以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供有效依據(jù)。而進(jìn)行模態(tài)試驗所受影響因素很多，為了得到更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，首先就要保證各試驗點選取的合理性和最優(yōu)性。

1.1最佳懸掛點

模態(tài)試驗時，一般希望將被測系統(tǒng)的懸掛點選取在其振幅較小的位置，所以最佳懸掛點應(yīng)該是系統(tǒng)某階振型的節(jié)點。

1.2最佳激勵點

測試的最佳激勵點由被測系統(tǒng)的振型決定。若為單階振型，則應(yīng)選取其最大振幅點；若為多階振型，則所選取的激勵點處各階的振幅都不應(yīng)小于某一固定值；如果是需要多能量激勵的結(jié)構(gòu)，則應(yīng)考慮多選取幾個激勵點。

1.3最佳測量點

模態(tài)試驗要求測量點所獲得的信息有盡可能高的信噪比，因此測量點不應(yīng)該靠近節(jié)點。在試驗的最佳測量點，系統(tǒng)的ADDOF(Average Driving DOF Displacement)值應(yīng)該較大，一般可采用EI(Effective Independance)法確定最佳測量點。

2　汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的振動模態(tài)試驗

隨著汽車技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，國內(nèi)廠家對NVH越來越重視，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響駕駛員操作的最直觀感受，因此對轉(zhuǎn)向管柱的模態(tài)分析也在進(jìn)一步的研究當(dāng)中，標(biāo)準(zhǔn)QC/T 649-2013《汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu) 性能要求及試驗方法》中制定了振動耐久和共振頻率的測定方法。以下對相關(guān)項目試驗過程及結(jié)果進(jìn)行解析。

2.1振動夾具設(shè)計

振動臺夾具是振動臺上用以固定被試件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，首先應(yīng)滿足被試件的安裝要求，其次為了能在試驗頻率范圍內(nèi)對被試件開展振動試驗，其結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)有盡量高的固有頻率，即夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于最高試驗頻率，同時應(yīng)避免與試件發(fā)生共振耦合。

2.2振動耐久試驗

2.2.1試驗條件

把轉(zhuǎn)向管柱用夾具安裝成實車狀態(tài)，固定在加振器上，見圖1，根據(jù)圖紙標(biāo)注規(guī)定的扭矩下限值緊固安裝支架和下固定支架；轉(zhuǎn)向軸安裝實車轉(zhuǎn)向盤或等效慣性盤、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向鎖等部件；轉(zhuǎn)向管柱上下方向的加速度±2.5g；頻率不小于10 Hz，上下方向加振一次為一個循環(huán)，進(jìn)行1×106次循環(huán)。

圖1　振動耐久安裝示意圖

2.2.2試驗過程及目的

測試設(shè)備：D-300-3電磁振動臺。

試驗過程通過激振臺模擬實車頻率對轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)進(jìn)行激振，用加速度傳感器采集信號，如圖2所示。

通過振動耐久試驗對各部件在汽車長期性顛簸行駛過程中的可靠性進(jìn)行考核，從而優(yōu)化系統(tǒng)的疲勞壽命設(shè)計，防止行車過程中零部件的松動、破裂造成危險，進(jìn)一步提高汽車的操縱穩(wěn)定性及安全性。

圖2　振動耐久

2.3共振頻率測定

可以通過對轉(zhuǎn)向管柱共振頻率的檢測來判定它是否會在汽車怠速或高速行駛階段產(chǎn)生共振而使方向盤振動強烈，從而帶來安全隱患。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的共振頻率測定方法有兩種：一種是掃頻法，另一種是錘擊法。

2.3.1掃頻法

把轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)用夾具安裝成實車狀態(tài)，根據(jù)圖紙標(biāo)注規(guī)定的扭矩下限值緊固安裝支架和下固定支架；轉(zhuǎn)向軸安裝實車轉(zhuǎn)向盤或等效慣性盤、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向鎖等部件。施加掃頻頻率, 測量點在轉(zhuǎn)向盤上。

測試設(shè)備：D-300-3電磁振動臺。

試驗通過掃頻的方式，選取共振點，即為系統(tǒng)的共振頻率。

掃頻是在振動試驗臺上進(jìn)行，但是由于轉(zhuǎn)向管柱是長桿件，做相關(guān)夾具時以及找安裝中心就顯得比較復(fù)雜，可能有時候需要加配重塊才能完成，因此在測量準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)重復(fù)性上均存在一定的差異，圖3、圖4為兩次對同一產(chǎn)品掃頻的試驗結(jié)果。

圖3　共振頻率(52.5 Hz)

圖4　共振頻率(59.8 Hz)

2.3.2錘擊法

把轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)用夾具安裝成實車狀態(tài)，根據(jù)圖紙標(biāo)注規(guī)定的扭矩下限值緊固安裝支架和下固定支架；轉(zhuǎn)向軸安裝實車轉(zhuǎn)向盤或等效慣性盤、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向鎖等部件。沿轉(zhuǎn)向盤上端垂直于轉(zhuǎn)向軸施加敲擊載荷,測量點在轉(zhuǎn)向盤上，見圖5。

圖5　錘擊法安裝示意圖

錘擊法是將整個轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)按實車安裝狀態(tài)固定，用敲擊的方式來獲得固有頻率。整個測試系統(tǒng)包括激振系統(tǒng)(1個力錘)及信號采集系統(tǒng)(含3個加速度傳感器)。在整個被測系統(tǒng)中，判斷方向盤為最薄弱環(huán)節(jié)，因此應(yīng)將其中一個加速度傳感器布置在方向盤上作為主測點，另外兩個加速度傳感器分別布置在轉(zhuǎn)向管柱及安裝夾具上，作為監(jiān)測點，以確保系統(tǒng)采集頻率為最低固有頻率。錘擊法測共振頻率實驗場景見圖6。

測試結(jié)果跟敲擊的力量、敲擊人有一定的關(guān)系，圖7、圖8為兩次對同一產(chǎn)品錘擊的試驗結(jié)果，數(shù)值非常接近。

通過以上2種測試方式可以看出：錘擊法測定共振頻率的效果比掃頻法好，重復(fù)性更高，操作簡單，夾具設(shè)計也比較方便。

圖6　錘擊法測共振頻率

圖8　共振頻率(52.368 Hz)

3　轉(zhuǎn)向管柱總成動剛度測試

另一種關(guān)于轉(zhuǎn)向管柱的模態(tài)試驗則是測試其動剛度。動剛度是動載荷下抵抗變形的能力，動剛度不足將對零部件疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。

3.1試驗條件

將轉(zhuǎn)向柱固定到底板或貢架上，底板、機架等不應(yīng)與測定對象頻率(0～100 Hz)發(fā)生共振。測定激振點響應(yīng)聲質(zhì)量等于加振點振動加速度除以激振力。

激振方法：沖擊激振(使用橡皮錘)；

測定頻率：0～100 Hz，Δf=0.25 Hz；

激振位置：見圖9；

激振方向：轉(zhuǎn)向柱垂直方向、橫向；

平均測定次數(shù)：不少于10次。

由測出的激振點聲質(zhì)量讀取等價動剛度。

當(dāng)頻率為20～30 Hz時，利用此時的聲質(zhì)量按下式換算為動剛度：

式中：f為頻率；I為聲質(zhì)量。

圖9　激振位置

3.2測試設(shè)備

激勵系統(tǒng)。采用PCB通用模態(tài)力錘，8 kHz頻率范圍，最大2 200 N激振力。

加速度傳感器。采用丹麥B & K公司4524-B型三向智能加速度傳感器，用于試驗的加速度傳感器數(shù)量為10支。

測試分析系統(tǒng)。測量分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集前端、微機、分析軟件。數(shù)據(jù)采集前端采集信號到微機，通過分析軟件進(jìn)行模態(tài)參數(shù)估計。數(shù)據(jù)采集前端采用比利時LMS SCADAS III 64通道數(shù)據(jù)采集器，分析軟件采用LMS TEST.Lab。

3.3測試過程

按試驗要求安裝轉(zhuǎn)向管柱總成(見圖10)并布置加速度傳感器。按圖11、圖12所示位置分別對管柱總成垂向及橫向進(jìn)行敲擊。

通過采集系統(tǒng)采集測試數(shù)據(jù)后，用分析軟件對結(jié)果進(jìn)行有限元分析，圖13、圖14分別為某轉(zhuǎn)向管柱總成垂向及橫向動剛度，均滿足設(shè)計要求。

圖10　動剛度安裝示意圖

圖11　垂向激勵

圖12　橫向激勵

圖13　垂向動剛度(579 N/mm)

圖14　水平方向動剛度(502 N/mm)

4　結(jié)論

通過夾具設(shè)計、試驗臺架安裝布置、測試過程及結(jié)果分析等方面，詳細(xì)闡述了汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的幾個模態(tài)試驗。從以上案例不難看出，模態(tài)試驗在汽車結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計評估及故障診斷等方面有著重要的作用。另外，通過對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中闡述的兩種共振頻率測試方法進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論是錘擊法在數(shù)據(jù)重復(fù)性及測試準(zhǔn)確性方面更具有效性。

【1】QC/T 649-2014汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu) 性能要求及試驗方法[S].

【2】傅志方,華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2000.

【3】華劍,周思柱.汽車轉(zhuǎn)向管柱模態(tài)試驗與分析[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2010,37(1).

Analysis and Application of Modal Testing for Vehicles Steering Control Mechanism

LIAO Mengnan

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122,China)

The modal analysis and test technology is widely used in automotive industry. It provides an effective way for analyzing the auto parts and vehicle dynamic characteristics. As one of the most basic components of automotive steering system, the steering column assembly is key component which decides the vehicle safety and reliability. Through a large number of test data, several kinds of modal test for automobile steering control mechanism were introduced, including the vibration endurance test, the determination of resonance frequency, the dynamic stiffness test. Two methods for resonance frequency testing were comparatively analyzed.

Steering column; Mode analysis; Vibration; Resonance frequency; Dynamic stiffness

2016-07-22

廖夢楠(1989—)，女，學(xué)士，工程師，研究方向為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及電氣儀表。E-mail：liaomengnan@caeri.com.cn。

U463.4

A

1674-1986(2016)08-028-05