基于ANSYS汽车转向柱的模态分析研究_王成华

／ ） Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 钢板 ｔ ３． ０ Ｓ Ｐ ＨＣ（ ｓ ｔ １ ２ Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ ／ （ ） 冷板 ｔ ２． ５ ｓ ｔ １ ２ ０ ８ Ａ ｌ
（ ） Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 冷板 ｔ ２． ０／ ｓ ｔ １ ２ ０ ８ Ａ ｌ （ ） Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 冷板 ｔ ２． ０／ ｓ ｔ １ ２ ０ ８ Ａ ｌ ／ ） Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 钢板 ｔ ３． ０ Ｓ Ｐ ＨＣ（ ｓ ｔ １ ２ ／ Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 拔管 ２ ２×３． ２ ｓ ｔ ３ ７－２ Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 不锈钢 ３×Ｇ Ｃ ｒ １ ５
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ２ － － ， 作者简介 ： 王成华 （ 男， 山东滕州人 ， 青岛理工大学机械工程专业硕士研究生 。 １ ９ ８ ８—）
图 １ 转向柱结构图
２ ６ １
等： 基 于 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 汽车 转 向 柱 的 模 态 分析 研究 王成华，
表 ２ 材料参数
材料 密度 弹性模量 泊松比 钢
３ ／ ７ ８ ５ ０ ｋ ｍ ｇ
工程技术
表 ３ 刚度对模态影响
橡胶
３ ／ ９ ３ ０ ｋ ｍ ｇ
轴承刚度倍数 上轴承刚度 （ ／ 值／ Ｎ ｍｍ） 下轴承刚 （ ／ 度值／ Ｎ ｍｍ）
１
２
３
４
５
６
２． ０ ６ Ｅ １ １ＭＰ ａ ０． ３
图 ３ ６ 倍刚度分析
参考文献 ：
［ ］ 孙小帅 ， 董辛旻 ， 刘爱国 ， 等． 基于 ＡＮ １ Ｓ Ｙ Ｓ的 主 轴 热 变 形 建 模 与 分 ］ （ ） ： 析［ 机械设计与制造 ， Ｊ ． ２ ０ １ １ １ ２ ７ ３～７ ５．
图 ２ 转向柱分析模型
［ ］ 袁崇辉 ， 孟广耀 ， 李永夺 ， 等． 基于 ＡＮ ２ Ｓ Ｙ Ｓ的 汽 车 电 动 助 力 转 向 系 ］ （ ） ： 统的有限元分析 ［ 汽车零部件 ， Ｊ ． ２ ０ １ １ ９ ６ ９～７ １． ［ ］ 张红松 ， 胡仁喜 ， 康士延 ， 等． ３ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ １ ２． ０有限元分析从入门到精 通［ 北京 ： 机械工业出版社 ， Ｍ］ ． ２ ０ ０ ７． ［ ］ 尚小江 ， 邱 峰， 赵 海 峰． ４ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ结构有限元高级分析 方 法 与 范 例应用 ［ 第２版． 北京 ： 水利水电出版社 ， Ｍ］ ． ２ ０ ０ ８． ［ ］ 王新敏 ． 工程结构数值分析 ［ 北京 ： 人民交通出版社 ， ５ Ｍ］ ． ２ ０ ０ ７． ［ ］ 刘宝良 ， 王建国 ， 张步爱 ．基 于 ＡＮ ６ Ｓ Ｙ Ｓ的门式钢 架 轻 钢 结 构 模 态 ］ （ ） ： 分析 ［ 山西建筑 ， Ｊ ． ２ ０ １ ２ ２ １ ３ ２～３ ４．
０ １ ２年１ ２月 ２
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
第１ ２期
基于 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 汽车转向柱的模态分析研究
王成华 ， 孟广耀 ， 周忠伟 ， 徐建
（ ） 青 岛 理 工 大 学 机 械 工 程 学院 ， 山东 青岛 ２ ６ ６ ０ ３ ３
摘要 ： 分析 了 北 美 、 欧 洲 和 亚 洲 的 电动 汽车 的发展现状 ， 探讨了其基础设施的建设， 并对各国电动汽车的政 策 研究进行了解 析 。 关键词 ： 电动 汽车 ； 示范运行； 解析 中图分类号 ： Ｕ ２ ６ ６． ２ 文献标识码 ： Ａ （ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ４ ９ ９ ４ ４ ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ２ ６ ３ ０ ３ － － －
１ 引言
协调经济 、 环境和社会的关系无疑是当前世界能源 发展的主题 。 预计至 ２ 全球 Ｃ ０ ５ ０ 年， Ｏ ２ 的排放量将超 与日俱增的能源需求更成为亟待解决的 过现在的一倍 ， 而解决这 些 问 题 的 唯 一 途 径 就 是 能 源 革 命 。 全球问题 ， 世界各个国家和地区都将遇到能源问题 。 目前 ， 低碳 能 源技术已经成为 国 际 讨 论 的 焦 点 。 世 界 主 要 经 济 体 论 和联合国气候 变 化 框 架 公 约 （ 已经 坛（ ＭＥ Ｆ） ＵＮ Ｆ Ｃ Ｃ Ｃ） 把发展和部署低 碳 能 源 技 术 列 为 当 前 的 主 要 议 题 。 根 ） 据八国峰会 （ 的要求 ， 国际能源机构 （ 也开始进 Ｇ ８ Ｉ Ｅ Ａ） 包括如何通过提高 行了很多重要的低碳能源技术研究 ， ， 国际间的合作 提高 各 种 低 碳 能 源 技 术 的 水 平 ， 加快其 商业化进程 。
强板以及 ⑨ 轴承等 ， 下 支 架、 调 节 支 架、 固 定 座、 护罩固 防盗 锁 箱、 管 柱 加 强 板 为 薄 壁 冲 压 零 件， 管柱 定支架 、 体、 转向轴 为 薄 壁 管 件 。 转 向 柱 结 构 见 图 １， 各材料清 单见表 １， 材料参数见表 ２。
表 １ 转向柱材料清单
纵向一阶模 态频率／ Ｈ ｚ
Fra Baidu bibliotek
４ ３． ７ ７ ４ ４ ６． ６ ５ ５ ４ ７． ７ ５ ４ ４ ８． ３ ３ ４ ４ ８． ６ ９ ３ ４ ８． ９ ３ ７
／ ４ ８． ９ ３ ７Ｈ ｚ之间 。 轴承径 向 刚 度 为 上 轴 承 ３ ３ ３ ３ Ｎ ｍｍ， ／ 下轴承 ２ 相应的纵向一阶模态频率为 ４ ８ ５ ７ Ｎ ｍｍ 时 ， ３． 。 ， 当实际轴承刚度为 承 诺 值 的 倍 时 频 率 显 著 ７ ７ ４ Ｈ ｚ ２ ； 可达 ４ 当轴承 刚 度 超 过 ４ 倍 时 ， 对模态 增加 ， ６． ６ ５ ５Ｈ ｚ 轴 承 刚 度 不 可 能 达 到 ６ 倍， 也 频率影响很小 。 实际 上 ， 就是说 ， 根 据 本 分 析， 转向柱的模态频率不可能超过 。 图 所示为 ４ ８． ９ ３ ７ Ｈ ｚ ３ ６ 倍轴承刚度时分析图 。 分析没有考虑固 定 座 和 调 节 支 架 的 静 摩 擦 连 接 刚 度以及转向柱安装支撑刚度的影响 ， 对转向柱结构几 何 形状也做了适当简化 。 因此 ， 分析结果与实物样件试 验 但是通过实际样件试验可 以 结果可能会有一定的差异 ， 逐步建立转向柱模态分 析 检验分析模型建立是否正确 ， 模型的简化标准 ， 并用于优化或改进转向柱设计等 。
２ 转向柱模型的建立
２． １ 几何模型的建立 转向柱是汽车上 必 不 可 少 的 组 件 ， 通 过 转 向 柱， 驾 带动转向器将油泵供油输送 驶员把扭矩传递给转向器 ， 到转向油缸 ， 实现 液 压 助 力 转 向 。 同 时 ， 仅仅通过用理 论来对转向柱进行振动过程的分析是非常困难的 ， 所以 通过引入数值分 析 方 法 简 化 过 程 。 通 过 对 转 向 柱 进 行 振动模态分析 ， 对转 向 柱 振 动 的 状 态 进 行 了 研 究 ， 从而 为转向柱的设计提供重要依据 。 其结构主要包括 ： ① 下支架 ② 管柱体 ③ 调节支架 ④ 转向轴 ⑤ 固定座 ⑥ 护 罩 固 定 支 架 ⑦ 防 盗 锁 箱 ⑧ 管 柱 加
１ 引言
转向柱作为汽车的重要配件 ， 伴随着汽车工业的发 被提出了越来越高的要求 。 转向柱主要用来支承 转 展， 向盘及与转向盘连 接 的 转 向 柱 、 传 动 轴 等， 另外还具有 很多的辅助功能 ， 如： 吸收冲击能量 、 可伸缩及角度可 调 等 。 其良好的功能对于改善车辆舒适度有重要的作 用 ， 对于提高车辆操 作 的 稳 定 性 也 有 至 关 重 要 的 作 用 。 通 了解其 动 态 性 能， 可以为优化其 过对其进行模态分 析 ， 。 结构等提供良好的数据参数及理论指导 有限元分析方法 在 ２ ０世纪５ ０年代伴随着结构力 ， 学分析而迅速发展 随 着 现 代 计 算 机 技 术 的 进 步 ， 有限 元分析方法也逐步完善并日趋成熟 ， 在现代制造设计过 ， 程中应用普遍 成为解决复杂工程问题的不可或缺的有 效手段 ， ＡＮＡ Ｓ Ｙ Ｓ文 件 在 其 所 有 的 产 品 系 列 和 工 作 平 ， 台上均兼容 作为商 业 化 比 较 早 的 软 件 ， 同时进入国内 时间也比较长 ， 目前在国内的应用范围及普及程度相对 。 来说都较好 提供了丰富 ＡＮＡ Ｓ Ｙ Ｓ 作为国 际 通 用 的 分 析 软 件 ， 、 ， 的结构单元 热分析单元等 将之与模态分析相结合 ， 是 也是近年研究的热 理论与实验分析振动问题的新方法 ， 点， 本文即采用此方 法 对 转 向 柱 进 行 分 析 ， 这也是目前 分析振动问题的新趋势 。
摘要 ： 指出了 转 向 系 统 在 汽车 系 统 中 有 着 重 要 作 用 ， 其 中 转 向 柱 性 能 是 否 符 合 其 设 计 规 范 的 要 求， 则需要 通过计算 转 向 柱垂 直 方 向 和水 平 方 向 的 固 有 频 率进行 检验 。 采 用 大 型 、 通 用 的 有限 元 分 析 软 件 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ对 汽车 转 向 系 统 中 轴 承 刚 度 对 模 态 频 率 影响 进行了 分析 ， 分析 过 程 可 用 于 优 化 或 改 进 转 向 柱 设 计 ， 避免共振 现 象 和 噪音 的 产 生 。 关键词 ： 转向柱； 模 态 分析 ； 振 动 规律 中图分类号 ： ＴＨ ２ ２ 文献标识码 ： Ａ （ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ４ ９ ９ ４ ４ ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ２ ６ １ ０ ３ － － －
名称 下支架 管柱体 调节支架 固定座 护罩固定支架 防盗锁箱 管柱加强板 转向轴 轴承 厚度／ ｍｍ ３ ２ ３ ２． ５ ２ ２ ３ ３． ２ ３ 实常数 Ｒ １ Ｒ ２ Ｒ ３ Ｒ ４ Ｒ ５ Ｒ ６ Ｒ ７ Ｒ ８ Ｒ ９ 单元类型 材料
／ ） Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ 钢板 ｔ ３． ０ Ｓ Ｐ ＨＣ（ ｓ ｔ １ ２ Ｓ ＨＥ Ｌ Ｌ ６ ３ ／ 拔管 ４ ０× ３ ６． ０ ５ ｓ ｔ ３ ７－２
２． ４ 轴承刚度对模态频率影响分析结果 。轴承刚度： ／ 集中质量 ： 上 轴 承， ２． ７ ｋ ３ ３ ３ ３ Ｎ ｍｍ； ｇ ／ 下轴承 ， 如表 ３ 所示 。 ２ ８ ５ ７ Ｎ ｍｍ，
３ 结果分析
通过详细分析 ， 上 下 轴 承 简 化 为 柔 性 连 接 时， 在不 同的刚度条件下 ， 转向柱纵向一阶模态频率在 ４ ３ ． ７ ７ ４ ～
２ ６ ２
０ １ ２年１ ２月 ２
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
第１ ２期
国外电动汽车发展解析
赵素娟
（ 大 连 市节能 技术 服 务 中心 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ １）
７． ８ ４ Ｅ ６ＭＰ ａ ０． ４ ７
３ ３ ３ ３ ６ ６ ６ ９ ９ ９ ３ ３ ３ ２ ６ ６ ６ ５ ９ ９ ９ ８ ６ ９ １ １ １
２ ８ ５ ７ ７ １ ４ ５ ７ １ １ ４ ２ ８ ４ ２ ８ ５ ７ １ ４ ２ ５ ８ １ １ １
２． ２ 有限元模型的建立 ， 边界条件 ： 方 向 盘 等 量 质 量 块 重 约 ２． 位于转 ７ ｋ ｇ 向轴轴线上 ， 距转向轴 Ｐ 平面 １ ０ ０ ｍｍ 处 。 分析模型 ： 这里分析单元采用线性壳单元是考虑到 各个 零 件 对 应 的 实 常 数 见 表 ２ 转向柱零件为薄壁零件 ， 所列 。 分析过程中对一些零部件进行适当的简化 ， 可以更 好地实 现 转 向 柱 的 振 动 模 态 的 分 析 ， 如忽略联轴器 部分 。 管柱体与转向轴通过两个轴承连接 ， 管柱体仅可绕 转向轴相对转动 ， 没有 其 他 方 向 自 由 度 。 在 ８ ０ ０ Ｎ 径向 上 轴 承 位 移 小 于 ０． 下轴承小于 载荷作 用 下 ， ３ ｍｍ， １． ０ ｍｍ。 ２． ３ 转向柱分析模型 将上下轴承均 简 化 为 柔 性 联 接 。 利 用 绑 定 接 触 简 化下支架与管柱体 焊 接 、 管柱 加 强 板 与 管 柱 体 焊 接、 固 定座与调节支架静摩擦连接 。 分析模型见图 ２ 所示 。