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利用怠速振动概念模型研究转向系统的分析过程
K. C. KIM1) and C. M. KIM2)*
1)Hyundai Motor Co., Jangduk-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea
2)Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea
摘要：本文介绍了转向柱系统和支持系统优化设计的过程。在开发过程的初期概念阶段，为了使转向系统有足够的刚度，同时可以降低系统的怠速振动敏感性，提出了设计指南。并对谐振隔离研究进行了总结，其中表明系统间的振动模式在设计过程的初始阶段由所给的振动模式图分开。这项研究还提供了使用CAE（计算机辅助工程）分析最佳动力减震器系统设计的指南。阻尼器FE(有限元)模型被添加到车辆模型，用来分析频率和转向柱系统灵敏度之间的关系。此分析方法使前期设计和在原车试验阶段后减少阻尼调谐活动的目标成为可能。通过所提出的转向柱系统开发过程，高刚度轻质量的汽车是可能设计出来的。此外，改进过程将有助于降低整体开发的周期和为了获得所需操舵系统性能而要进行的原车测试数量。
关键词:转向系统，母车，怠速抖动，动态阻尼，NVH（噪声，振动和不平顺性）
1.引言
为了改善耐撞性，NVH和耐久性，高刚度汽车的发展是必要的。然而，由于增加面板厚度和使用加强件，高刚度的汽车将会质量加重成本变高。优化设计是为了满足高刚度汽车的发展目标，并降低车辆油耗的重要步骤。与此相关，轻质材料如镁和铝正被纳入考虑，并在最初有关布局的设计方面进行改善。
最近，转向技术不仅集中于驾驶员的方便性和燃料效率，也致力于提高车辆的稳定性。然而，ESP（电动助力转向系统）有恒定的转向传动比，对控制车辆行为方面有所限制。SBW（转向线控）具有ESP的所有优点，并在失败的情况下对车辆的行为有更好的可控性。需要注意的是，在许多国家有法律规定：转向盘必须机械连接于前轮。车辆的方向可通过飘移过弯而改变，特别是车辆无法用方向盘来控制时。驾驶员经常调转车头去避免大量降雪的事故地段。因此，转向系统的侧向刚度对于处理此类问题是很重要的。由于各种理想的控制目标，四轮转向系统的许多控制算法最近已经开发，如减少横摆率和侧滑角。
在最初的设计阶段，不可能构建整车的模型。因此，为了改进任务的效率，控制、分析、在每个独立的系统中有目标的进行是有效的。本文介绍使用概念模型在最初设计阶段的先进技术分析过程。有为第1频率的模式反转进行转向系统的技术研究，一个转向柱设计的频率相对方程，一个支持系统的侧透安装型，还有动力阻尼器的优化设计。其结果，有可能实现在制造原车前的整车转向振动稳定性。
怠速抖动和景气分析的目的是通过评估车辆内部触觉和噪声水平为客户提供期望车辆相应目标的设计方案，如图1所示。发动机安装配置，发动机安装位置，转向柱类型和本体结构设计可以改变，并在最初的设计阶段多次迭代。测量可能不具有代表性因为车辆可能不能准确的表示簧下质量，悬挂质量和身体结构拓扑的设计意图。因此，怠速抖动和景气分析依赖于CAE仿真对车辆结构声学性能的估计。
涉及6缸，4冲程发动机的的怠速抖动和爆炸模拟通常在30赫兹到60赫兹的频率范围内进行，因此等同于600到1200发动机转3阶启动。惯性和气体压力扭矩是怠速的主要强制功能。
司机和乘客感知怠速质量，比如手握在方向盘上、身体靠着座椅/座椅靠背、脚踩着离合器踏板/制动踏板或底盘（歇脚处）,都是主要的触觉反映。主要的声学响应包括驾驶员/乘客的耳朵，随着气体压力扭矩的输入可能会导致称为怠速热潮的悬臂式声学响应。
为了最大限度的减少在初始通过方向盘检测到的怠速抖动，构建了振动模式图。模式映射用于在设计过程中通过管理子系统目标频率的规避共振。通常，为了避免发动机空转的谐振范围，BIW（白车身）弯曲和扭转频率，转向柱系统的第一自然频率被设定的尽可能高。
图1.怠速振动分析的关键过程
2.怠速载荷
发动机引起的怠速抖动和怠速噪音的两个主要来源是往复运动的质量不平衡和气体压力扭矩。
2.1质量不平衡力
单缸活塞曲柄机构如图2所示
图2.发动机的曲柄机构
在这里：
Xp=活塞从上极限位置向下的位移
t,上止点的曲轴转角，t
Phi;=连杆和活塞中心线的夹角
r=曲柄半径
l=连杆长度
假设曲轴以恒定角速度旋转，从顶部开始活塞位移的精确表达式为：
几何上
对于活塞位移的精确表达式，Xp,在曲轴转角方面，t：
通常为1/4,因此大约为1/16。第2项的形式是，delta;lt;lt;1大约等于1-，Xp的表达式大致为：
通过倍角公式简化，活塞位移的近似公式为：
活塞速度Vp,加速度Ap,公式：
用有效往复运动的质量乘以活塞连杆组件Mrec,得到惯性力：
负号表示该力是在曲轴组件上等大反向的力，而不是在活塞上。
2.2惯性力矩
曲轴上一个单一活塞的惯性力矩是
S=力臂的曲轴中心的距离
=rcos lcos
S=r l-Xp
因此
使用三角恒等式，忽略高次的r/l,单活塞惯性扭矩的最终表达式为：
惯性扭矩作用于所述旋转方向的曲轴，这个公式用来计单活塞惯性扭矩的一阶，二阶，三阶谐波系数。
3.分析过程
本文介绍了在初始设计阶段转向系统的先进技术分析过程。
3.1概念模型
开发过程分为3个步骤：一个具体的模型，降压模型，和一个主体附着模型。
S1型号的具体FE（有限元）母车原型如图3（a）所示，术语母车的意思是设计新车前同档次的旧模型。
（a）S1模型：转向系统具体模型
为了减少在最初设计阶段的分析时间，降压模型（S2）被使用。该模型的建立使得在前端和后前座横构件部分被修整，如图3（b）所示。修整部分的边界条件被限制为6自由度。由转向振动的分析结果可知，降压模型接近于整车模型。
（b）S2模型：转向系统降压模型
S3模型是转向柱和整流罩横构件的有限元模型。在该结构模型中仪表盘是使用质量集中简化的。线性平移或旋转的弹簧元件连接到IP（仪表盘）结构上的相应连接位置，如图3（c）所示。这种技术提供了局部刚度和替换体降压模型。IP 供应商可以利用这个刚度较高的附件作为优化设计分析的设计变量，从而产生一个系统的解决方案。
（c）S3模型：K矩阵支持系统
图4指出了使用概念模型在初始设计阶段转向系统的分析过程。如果降压模型的第一模式目标被建立，转向柱组件和支撑系统的频率目标是通过使用刚性相对方程来分布的。转向柱的刚度被确定为方向盘本身和其几何驱动惯性的质量函数。为了实现支撑系统足够的刚度，设计师考虑增加整流罩截面构件刚度和白车身驾驶舱模块附着体刚度。和这些因素相关，设计过程还应考虑材料，安装条件和布局。
图4.转向系统CAE过程分析
3.2频率目标设定
车辆转向系统（f）的振动特性可分为以下独立系统：转向柱系统（f1）支撑结构的刚度（f2）:
f:降压模型的固有频率
f1:转向柱的固有频率
f2：支撑系统的固有频率
对于给定的汽车方向盘性能指标，在产品开发过程可以定义转向系统指标（f1）和支撑结构刚性目标（f2）,如图5所示。例如，车辆性能指标是36赫兹，转向柱的是47赫兹，设计者立马通过相关方程找到所需的结构刚度是57赫兹，如图6和表1所示。该过程为每个设计组指定特定的设计目标，在最初的设计阶段是有用的设计指南。系统级目标是预先定义的，供应商可以放心的在各个系统独立工作，汽车制造商能够有效的管理每一个系统的优化设计。
图5.转向和支撑系统的FE模型
图6.转向系统的频率目标
表1.转向系统的刚度分配
这种技术对于系统级要求下的概念性目标管理非常有用，同时还能用于高效的分析过程。通过该系统，使在原始测试之前实现整车级转向NVH性能要求成为可能。
车辆方向盘的目标频率是由车辆类型的程序规范要求设置的。最低要求被设置为从道路负载输入激励开始分离。该设计指南要求任何3赫兹以上怠速振动的发动机和白车身，包括空调中性的开/关情况和驱动齿轮的设定。其结果，有可能实现相对于之前制造原车的整车转向振动稳定性。
3.3转向柱刚度（零件）
图7表示了用于转向刚度评价的测试夹具的条件和安装位置。转向柱的上部和下部用螺栓连接到夹具上。
图7.转向柱测试条件
根据伸缩位置（在轴向方向多出或减小30mm），在刚度上有2-3赫兹的差异取决于驱动条件；但是，在内倾角为7°时，刚度的差异是最小的。
根据实际情况，评估必须在伸缩和中间倾斜的条件下进行。
转向柱有一个倾斜机构和一个依据车辆等级的伸缩机构，如图8（a）所示。
（a）转向柱机构
电动式转向柱有不同的壳体部件，如图8（b）所示。和被动类型的相比还有3-4赫兹更好的垂直和侧向刚度。
（b）转向柱组件分解图
DOS（操作变形形状）的结果表示，转向柱的关节结构是影响振动特性的最重要参数。提出了关于肋补充和结合部圆形状的最佳设计方案，如图8（c）所示。组件刚度的改进效果约为3-5赫兹。
（c）转向柱设计修改
3.3.1刚度相对方程
进行了一项和布局对比的设计审查，因为这对转向贡献的程度是很大的，如图9所示。
图9.转向柱的设计参数
对质量和布局条件中灵敏度因素的设计进行系统的分析并导出频率相关方程，如表2所示。这使得在转向系统发展过程中设置明确的目标和在设计的初始阶段进行审查成为可能。
表2.转向柱的设计研究
3.3.2复原初始模式
图10表示了2个倾斜式转向柱。上部倾斜式对中型轿车更好，因为它提供了优良的转向柱刚度以及和下斜型相比在IP的错位上有更好的设计质量。另一方面，上倾斜型的成本又是一大弊端。
图10.转向柱倾斜机构
转向系统的原始目标是初始模型；通常是垂直弯曲模型。但是，有时将横向模型作为初始模型，如图11和表3所示。这就是所谓的转向系统的模式逆转。
图11.下斜型的振动模式
表3.转向柱刚度的分析数据
如果上倾斜型转向柱被改变成一个较低的倾斜型或者支撑系统的刚度分布改变时，转向系统的初始模型将很有可能横向弯曲。在前横向传动系，主体和转向系统的垂直模式容易被发动机的滚动模式激发。然而在纵向传动系，转向系统的横向弯曲模式对发动机的扭振极其重要。
当转向柱的上部和下部安装部分被向上移动时，下部倾斜型转向柱在刚度方面是有优势的并且转向盘的质量也是最小化的。另外，当整流罩横构件和转向盘的中心距离被减小时，转向系统的垂直弯曲频率会提升。
3.4转向支撑系统刚度
如图12所示，转向系统的支撑系统刚度可以分为支撑结构，用来支撑转向柱的上部和整流罩横构件，用来支撑转向柱上下。整流罩横构件安装在车体的两侧，由于不存在中心支撑，中心的下端部分被螺栓固定到车体中心的地板隧道。
图12.转向支撑系统的配置
3.4.1车身附件刚度模型
目前，在原构建阶段之前使用CAE工具对汽车结构和零部件进行开发是普遍的做法。
而供应商组件模型的当前分析过程假设在车辆接口的硬性条件，其结果与那种在整车的水平不一致。
供应商不执行整车仿真有几个原因。首先，整车模型的的保密性通常会妨碍供应商和原始设备制造厂家的共享。第二，供应商做太多费时和昂贵的模拟在经济上是不可行的。本节介绍一个车身附件刚度程序，用来识别转向支撑刚度，来克服S3模型的缺点，如图3(c)所示。
在被约束到6个自由度的身体结构的修整部分进行静态刚度分析。在没有IP的降压模型中，单位负载是被单独施加到IP-车身附件点上的，如图13所示。
图13.车身连接位置
对于每一个负载元件，在该点相应位移的倒数被认为是在那个方向的附着刚度。
所得的刚度用于创建线性弹性弹簧元件，每个连接点6个，如表4所示
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