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某车型转向系统模态分级对标
2022-03-03 00:04:55· 来源：汽车NVH之家
[摘要]完成了某车型的转向系统模态分析对标，包括仪表板横梁支架（CCB，Cross Car Beam）约束模态、方向盘+转向管柱约束模态、方向盘+转向管柱+CCB约束模态和整
[摘要]完成了某车型的转向系统模态分析对标，包括仪表板横梁支架（CCB，Cross Car Beam）约束模态、方向盘+转向管柱约束模态、方向盘+转向管柱+CCB约束模态和整车转向系统模态。通过子系统到整车的模态分级对标，最终确保整车分析模型的准确度，为车型开发提供可靠的技术参考。
关键词：模态分级对标；转向系统模态
方向盘作为驾驶员直接接触的子系统，其振动过大易引起驾驶疲劳并恶化舒适性，对整车NVH性能和品牌形象均有不利影响。
潘威[1]等针对某A级轿车怠速开空调工况下方向盘振动不达标的问题，通过传递路径分析对冷却风扇的减振垫进行了优化，从而有效控制了怠速方向盘抖动。谢暴[2]等开展了某汽车方向盘的模态分析与优化，获得了明显改善方向盘怠速抖动的改进方案。葛新方[3]等某叉车方向盘怠速抖动问题，采用有限元方法进行了方向盘总成的模态分析，并提出了优化方案抑制怠速振动。
为了尽可能减小整车NVH仿真误差，本文以方向盘模态为例，开展了仪表板横梁支架（CCB，Cross Car Beam）约束模态、方向盘+转向管柱约束模态、方向盘+转向管柱+CCB约束模态和整车转向系统模态等4级结构的模态对标分析，从子系统到整车逐级修正模型并控制模型的精度，提升整车NVH仿真结果的可靠性。
1 模态理论
模态是结构的固有特性，与外载和初始条件无关。模态识别过程中，结构被视为连续的弹性体，是一个多自由度的振动系统，其动力学方程为
式中：[M]、[C]和[K]分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；分别是加速度、速度和位移响应的列向量；[F]是外界激励向量。由式(1)可得频响函数为
2 转向系统目标分解定义
转向系统模态的目标分解定义是整车NVH开发及目标制定中一项重要的工作。若目标定义不合理，则易导致方向盘抖动、摆振等问题的出现。
在项目开发初期，根据发动机的怠速激励、悬架的路面激励、冷却风扇的旋转激励等频段，首先对整车状态的转向系统模态频率设定一个目标值，使其与主要的激励源避频。接着，为了使整车状态的方向盘振动性能达标，需要对上述目标值进行分解，分解顺序按照整车状态（d）、方向盘+转向管柱+CCB接地状态（c）、方向盘+转向管柱接地状态（b）、方向盘本体和CCB本体接地状态（a）等进行开展。
在状态d下，根据本车型的实际激励频段，将该状态下的方向盘模态频率目标值设定为大于35 Hz；在状态c下，一般要求方向盘的模态频率至少为状态b的85%；在状态b下，一般要求模态频率高于状态a的35%；在状态a下，一般要求方向盘本体接地模态大于75 Hz，并且CCB本体接地模态大于160 Hz。
综上，通过模态目标分解后，得到状态a~d的模态频率需要分别达到方向盘本体75 Hz/CCB本体160 Hz（状态a）、50 Hz（状态b）、45 Hz（状态c）和35 Hz（状态d），并以此为各子系统的目标值去实施分析和优化。
3 转向系统分级模态试验
3.1 CCB模态试验
CCB是整合驾驶舱内其他零部件为一体的零件，对于转向系统模态和碰撞安全性能都有直接的影响。钢质CCB主要采用焊接方法将各部分进行连接，根据设计结构的不同其焊缝总长可达800~2500 mm[4]；而镁铝合金CCB通过采用整体铸造工艺生产。镁铝合金的密度小、阻尼大，是应用前景非常大的轻量化材料[5]。
各级结构的模态频率目标值如表1所示。作为转向系统的安装骨架，CCB约束模态的目标值一般要求超过160 Hz，以确保CCB的整体刚度足够大。
本车型采用镁铝合金CCB，模态测试如图1所示。在测试过程中，考虑到CCB在车身上的安装点高度不一，因此对每个安装点都制作了一套刚度很大的工装，并将其因此在刚性试验台上，使得各安装点的边界条件尽可能接近于固支状态。经测试发现，CCB约束模态频率的测试结果为211.5 Hz（见表1），远高于设计目标，说明采用镁铝合金铸造的CCB整体刚度是非常理想的。
3.2 方向盘+转向管柱模态试验
转向管柱总成是汽车转向系统的最基本组成部分之一，它是决定汽车行驶安全性与可靠性的关键部件，其中对转向管柱总成的模态分析是保证和提高产品质量的一个重要环节[6]。若转向管柱的一阶模态频率过低，易使方向盘模态频率与发动机怠速激励频率重合，从而引发方向盘抖动、摆振等NVH问题。
在方向盘+转向管柱模态试验中（如图2所示），管柱与CCB的安装点通过工装刚性固定在试验台上，测试得到方向盘一阶横摆模态频率为49.3 Hz，一阶垂摆模态频率为55.8 Hz。
3.3 方向盘+转向管柱+CCB模态试验
方向盘+转向管柱通过螺栓与CCB连接。一般来说，在后续的对标过程中，若确保了方向盘+转向管柱、CCB本体的模型精度，即可基本上保证方向盘+转向管柱+CCB模型的可靠性，因此，在实际开发过程中，可以不开展2.3的试验工作。
3.4 整车状态模态试验
在试验车上完成了整车状态的转向系统模态频率试验，结果显示，整车转向系统横摆模态频率为37.7 Hz，垂摆模态频率为38.6 Hz。由于一阶横摆模态频率较低，因此下文重点关注该阶模态的对标。
4 转向系统分级模态对标
4.1 CCB模态对标
影响CCB模型精度的主要因素是：
a) 对于钢质CCB而言，将缝焊简化为刚性单元的过程使得CCB零件之间的连接过于刚性，对于模型精度有一定影响；
b) 对于镁铝合金CCB而言，铸件各区域的厚度分布不均，若不细分厚度，也将放大模型的误差。
本车型采用镁铝合金CCB，有限元模型如图3(a)所示，并对各区域的厚度进行了细分，以提升模型精度。将CCB各个车身安装点约束后，计算得到CCB的约束模态为216.8 Hz，与试验结果（211.5 Hz）的误差为2.5%。经分析验证，该误差主要由CCB模态测试时的工装引起。总体而言，CCB模型的精度是可以保证的。
4.2 方向盘+转向管柱模态对标
转向管柱一般分为液压助力式（HPS）和电子助力式（EPS）。前者的结构较为简单，建模误差较小；后者的结构较为复杂，比如电机、电控单元等部件的内部结构非常复杂，它们的质量、惯量和质心坐标对于管柱模态影响较大，因此在建模过程中需要对这些参数进行重点关注。
方向盘+EPS转向管柱的有限元模型如图3(b)所示。将管柱在CCB上的安装点固支约束后，得到方向盘+转向管柱的约束模态为48.5 Hz，与试验结果（49.3 Hz）之间的误差为-1.6%，从而证明了方向盘+转向管柱模型的精度。
4.3 方向盘+转向管柱+ CCB模态对标
方向盘+转向管柱通过螺栓与CCB连接。由于螺栓的刚度非常大，一般可能将其简化为刚性单元连接。当确保2.1和2.2的模型准确度后，一般来说，方向盘+转向管柱+CCB的精度是可以保证的。
如图1(c)所示为方向盘+转向管柱+CCB的有限元模型，将CCB在车身上的安装点固支约束后，得到该子系统的约束模态频率为46.5 Hz，高于目标值45 Hz，初步达到方向盘模态的设计需求。4.4 整车状态模态对标 整车有限元模型一般由内饰车身和底盘组成，其中内饰车身包括白车身、转向系统、四门两盖、内外饰等，底盘包括前后悬架、动力总成等。在整车状态的转向系统中，需要特别注意转向中间轴的建模，因为该轴是允许轻微窜动的。在建模过程中，一般将中间轴分为上下两段，均采用一维梁单元建模，并通过一组约束X和Y向自由度（图中局部坐标）的刚性单元进行连接，释放Z向自由度，如图4所示。
如图3(d)所示为整车模型，将车轮通过接地刚度约束后，得到整车状态的方向盘模态为38.6 Hz，与试验结果（37.7 Hz）之间的误差为2.4%，在达到设计目标值的同时，也确保了整车仿真模型的可信度。
5 总结
本文完成了某车型转向系统的模态分级对标，从CCB、方向盘+转向管柱、方向盘+转向管柱+CCB、整车状态等4个状态，完成了各级结构的模态对标工作，并从建模上指出需要重点关注的问题，如中间管柱的建模、EPS管柱的配重等，从细节上提升整车状态转向系统模态频率的仿真精度，为整车虚拟NVH性能开发提供可靠的技术参考。
作者：毛杰，朱凌，刘显臣，彭鸿，郭志伟，黄新华
作者单位：浙江吉利汽车研究院有限公司，宁波，315336
来源：2017汽车NVH控制技术国际研讨会论文集
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