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汽车仪表板及转向管柱模态分析温立志;吴文江;杜彦良【摘要】The steering system and instrument panel is the important component of the car NVH performance. In order to meet the NVH requirement, the finite element model of vehicle instrument panel and steering column is established by HyperMesh, and the paper adopts the NASTRAN software to calculate the part or whole inherent modal characteristics of the instrument panel whose frequency under 35 Hz and the vibration frequency with U/D and L/R shape of the steering wheel. The results show that the instrument is close to the engine idle frequency, which is easy to generate idle resonance phenomenon. At last we put forward the advice for avoiding the sympathetic vibration in idle condition so as to improve the NVH of the vehicle.%转向系统和仪表板的怠速振动是整车NVH(Noise Vibration and Harness)性能的重要组成部分,为了满足NVH要求,运用HyperMesh软件建立汽车仪表板及转向管柱的有限元模型,并运用NASTRAN软件计算仪表板频率在35 Hz以下的局部或整体固有模态特性及转向盘上下振动与左右振动频率.结果表明,仪表板处的局部振动频率与发动机怠速激振频率接近,容易产生怠速共振现象,最后提出改进建议以避免发生怠速共振现象,从而改善汽车的NVH性能.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2013(037)001【总页数】4页(P177-180)【关键词】振动控制;有限元分析;模态分析;共振;仪表板;转向盘;转向管柱【作者】温立志;吴文江;杜彦良【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】U463.7随着汽车轻量化的发展以及对NVH(Noise Vibration and Harness)性能和对乘员保护的逐渐重视,人们意识到转向系统和仪表板的怠速振动是整车NVH性能的重要组成部分,转向系统和仪表板的怠速振动让驾驶员对汽车品质有非常强的主管感受[1],甚至产生不舒服的感觉.而多数顾客在驾驶过程中希望得到安静和平稳,享用车内语音通信和音像娱乐.为达到上述目的,在汽车设计中不仅要使车身结构满足一定NVH性能要求,同时对于汽车转向系统和仪表板的模态也需满足NVH要求,否则车内会产生一定的振动和噪音.1 怠速振动产生机理引发仪表板和转向管柱怠速振动的原因是怠速时发动机激励通过传动系统、排气系统和悬架系统传给转向系统和仪表板,即怠速时的发动机激励频率与转向系统和仪表板本身模态频率重合[2].因此,避免激励源和转向系统及仪表板本身的固有频率耦合,成为改善汽车转向系统和仪表板NVH性能的关键.通常发动机激励源的怠速激振频率是固定的,转向系统和仪表板本身的模态频率也较容易得到控制.发动机怠速时的激振主要是二阶往复惯性力,其频率与车辆搭载的发动机转速和气缸数有关.发动机怠速时的二阶频率计算公式为式中:n为发动机怠速转速;Z为发动机气缸数.转向管柱和仪表板本身的固有频率为式中:K为部件刚度;m为部件质量.乘用车发动机怠速的转速一般为700～1 000 r/min,对于4缸发动机,怠速激振频率约为20～30 Hz;6缸的激振频率约为30～50 Hz,发动机怠速工况下的激励频率高于行驶时的路面激励频率,为避免转向系统在怠速下产生共振,其固有频率要求大于最高怠速激振频率(30 Hz或50 Hz).2 有限元模型的建立所建模型包括转向系统(转向盘-转向拉杆)、仪表板加强梁部分、仪表板部分和电器件集中质量部分.模型主要材料的参数如表1所示.表1 模型主要材料参数Tab.1 Material parameters of model材料名称密度/(Ton/mm3)泊松比弹性模量/MPa PP+E/P-T20 1.05E-09 0.35 2 100 ABS+PC 1.10E-09 0.40 2 330 PP+PE 9.00E-10 0.35 1 200 steel 7.85E-09 0.30 210 000 运用前处理软件HyperMesh进行有限元模型的建立[3].利用NASTRAN进行模态计算.有限元模型如图1所示.图1 仪表板及转向管柱有限元模型Fig.1 Finite element model of Instrument panel and Steering column of CH041分析计算模型的约束模态[4],各约束位置描述如下:1)约束仪表板、加强梁、转向机及中央除霜风道与白车身27点连接处的所有自由度,如图2(a)中的约束点所示.2)考虑到副仪表板与地毯的过盈配合,将副仪表板简化,并约束其后部自由端下端节点处的所有自由度,如图2(b)中的约束点所示.图2 约束示意图Fig.2 Constraint diagram3 计算结果与分析考虑怠速工况下仪表板及转向管柱是否能够满足振动分析要求,因此主要针对仪表板频率在35 Hz以下的局部或整体固有模态特性[5]及转向盘上下左右振动频率进行分析.经计算得到仪表板35 Hz以下固有模态[6]特性及转向盘的振动特性,如表2所示.考虑发动机为四缸机,且怠速转速为700～900 r/min,激振频率为23.3～30 Hz.各阶振动振型如图3～图6所示.表2 仪表板 35 Hz以下固有模态特性及转向盘振动特性描述Tab.2 Inherent modality below 35 Hz of instrument panel and vibration type of steering-wheel部件模态频率/Hz 振型描述仪表板 23.58 28.81下仪表板左下挡板处前后局部振型上仪表板上部整体一阶上下振型转向盘 32.03 63.34转向盘上下振动振型转向盘左右振动振型图3 仪表板左下挡板处前后局部振型23.58 HzFig.3 Anteroposterior local vibration type in left-under section of instrument panel图4 上仪表板上部整体一阶上下振型28.81 HzFig.4 First up-down vibration type of upper instrument panel图5 转向盘上下振动振型32.03 HzFig.5 Up-down vibration type of steering-wheel由计算结果可知:1)转向管柱处.转向盘上下振动固有频率为32.03 Hz,左右振动固有频率为63.34 Hz,满足转向盘振动固有频率高于30 Hz的分析要求,可以避开发动机怠速激振频率.2)仪表板处.下仪表板左下挡板处前后局部振动频率为23.58 Hz,上仪表板上部整体一阶上下振动频率为28.81 Hz,与发动机怠速激振频率接近,容易产生怠速共振现象.考虑到上仪表板上部整体一阶上下振动涉及区域面积较大,对车内NVH性能也会产生一定的影响.图6 转向盘左右振动振型63.34 HzFig.6 Left-right vibration type of steering-wheel4 改进建议根据上述分析,建议加强仪表板处对应振型振动区域,提高该处的结构刚度[7],使下仪表板左下挡板处前后的局部振动与上仪表板上部整体一阶上下振动频率达到30 Hz 以上,避免怠速共振现象的产生.1)在无法加高加厚加强筋的前提下,建议加厚上仪表板本体上部,由3.0 mm加厚至3.5 mm.通过计算,加厚之后的上仪表板上部整体一阶上下振动频率提升至30.57 Hz,满足仪表板整体振动频率高于30 Hz的分析要求.2)对于下仪表板左下挡板处的前后局部振动,由于该区域结构复杂,通过更改本身结构难以达到理想的提高刚度的目的.建议增加与仪表板加强梁处的连接,消除该部分的局部振型.参考文献(References):[1]周桐,范宣华,田光明,等.仪表板结构非线性振动特性的试验分析[J].机械工程学报,2008,44(8):40-44.ZHOU Tong,FAN Xuanhua,TIAN Guangming,etal.Experimental analysis of nonlinear vibration property of instrument panel[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(8):40-44.(in Chinese)[2]张晋西,蒋定明.汽车仪表板逆向造型与模态分析[J].重庆理工大学学报:自然科学版,2011,25(8):5-9.ZHANG Jinxi,JIANG Dingming.Auto dashboards reverse modeling and modal analysis[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2011,25(8):5-9.(in Chinese)[3]练朝春,周利辉,成艾国.仪表板头部碰撞仿真分析[J].机械设计与研究,2011,27(2):48-51.LIAN Chaochun,ZHOU Lihui,CHENG Aiguo.Simulation and analysis of head impact with instrument panel[J].Machine Design and Research,2011,27(2):48-51.(in Chinese)[4]Dovstam K.Real modesof vibration and hybridmodalanalysis[M]//Computational Mechanics.Heidelberg:Springer Berlin,1998,21:493-511.[5]Meirovitch L.Elements of vibration analysis[M].New York:McGraw-Hill,1986.[6]崔振家,汪鸿振.基于ANSYS的前传动系统模态分析[J].噪声与振动控制,2007,27(6):36-38.CUI Zhenjia,WANG Hongzhen.Modal analysis of a front driving system based on ANSYS[J].Noise and VibrationControl,2007,27(6):36-38.(in Chinese)[7]高云凯,刘海立,万党水,等.挤压镁合金汽车仪表板横梁骨架的设计与分析[J].汽车工程,2011,33(2):167-171.GAO Yunkai,LIU Haili,WAN Dangshui,et al.Design and analysis on cross car beam of extruded magnesiumalloy[J].Automotive Engineering,2011,33(2):167-171.(in Chinese)。
汽车NVH性能主观评价的常用术语解析抖动(Shake)：车辆的振动，在方向盘、地板及仪表板上，频率大约在10到35Hz的低频振动，手脚接触会有麻感。
跳动：车辆或发动机上下颠簸的振动，通常是它们的低频刚体运动。
晃动：车辆或发动机左右摇摆的振动，通常是它们的低频刚体运动。
耸动：车辆或发动机前后窜动的振动。
扭动(Nibble)：通常是指方向盘的扭转振动，它是由车轮的不平衡和转向系统的共振一起诱发的。
语音清晰度(AI)：是车内乘客间对话的可听清晰度。
结构噪声(Structure：borne Noise)：由结构振动引发的低频噪声，通常是在20到500Hz的范围内。
空气噪声(Air：borne Noise)：是直接从源通过空气传播的中高频噪声，通常是在250到5000Hz的范围内。
哨叫声(Whistle)：类似口哨声，通常是由小缝、小孔，如增压器、进气系统、后视镜等发出，如沸腾的水蒸汽从壶口发出的声音。
吱吱嘎嘎嗒嗒声(Squeak & Rattle)：通常是指摩擦挤压、碰撞敲击等异响，一般为内装饰件的松动所诱，或相近零部件间的碰击声。
Boom：低频隆隆噪声，又叫轰鸣声，频率约在20到100Hz范围，一般是由动不平衡为激励源，激振源具有周期性，通常用“阶次”分析。
Moan：低沉呻吟声，频率约在80到300Hz范围，一般是由动不平衡为激励源，激振源具有周期性，通常用“阶次”分析。
Whine：呜呜悲嗥声，频率约在300到1000Hz范围，一般是齿轮啮合力的变化所引起，激振源具有周期性，通常用“阶次”分析。
Shudder：常指take：off shudder颤动，频率约在10到30Hz 范围，源于传动轴万向接角度不合适、传动轴不平衡、或驱动轴的磨损等，激发数个模态而产生的抖动，周期的用“阶次”分析，瞬态的用时间域分析。
Roughness：指约在20到80Hz范围内的振动，一般是由动不平衡为激源，激振源具有周期性，通常用“阶次”分析。
NVH研究及评价方法蒋鑫青岛理工大学，青岛，中国，266520******************【摘要】噪声、振动与声振粗糙度,是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。
业界将噪声、振动与舒适性的英文缩写为NVH（Noise、Vibration、Harshness），统称为车辆的NVH问题，研究汽车的NVH特性首先必须利用CAE技术建立汽车动力学模型，已经有几种比较成熟的理论和方法。
车辆NVH 特性已越来越受厂家和客户的重视，因此如何开展NVH 的评价、诊断对于解决NVH问题非常关键，它也在产品开发过程中的标杆研究和产品定型、积累设计数据起非常重要的作用。
【关键词】NVH；研究方法；评价标准About NVH Research and Evaluation MethodsJiang XinQingdao Technological University Qingdao.China.266520******************Abstract:Noise, sound vibration and harshness is a comprehensive measure of the quality of the car manufacturing to car users feel is the most direct and the surface. The industry will be noise, vibration and comfort abbreviation for NVH collectively referred to as the vehicle NVH issues the research vehicle.NVH characteristics must first be using CAE technology vehicle dynamics model has several mature theory and method. Vehicle NVH characteristics have become more and more attention by the manufacturers and customers, and how to carry out the NVH evaluation, diagnosis is crucial for solving NVH problems, it is also the benchmark in the product development process and product styling, design data isaccumulated important role.Key words:NVH; research method; evaluation criterion第一章绪论1.1 NVH简介汽车在使用一段时间之后，一些元件(如传动系的齿轮、联轴节、悬架中的橡胶衬套、制动器中的制动盘等)的磨损将对整车的NVH特性产生重要影响，它们的强度、可靠性和灵敏度分析是研究整车特性的重要工作，这也就是所谓高行驶里程下汽车NVH特性的研究。
一：定义汽车NVH是指汽车的Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(舒适性)。
汽车NVH研究以提高顾客的听觉、触觉、视觉等感官舒适度、改善汽车乘坐舒适性为目的，以提高车辆结构动态响应性能为手段，实现汽车的舒适性设计。
Noise(噪声)是指引起人烦躁、音量过强而危害人体健康的声音。
汽车噪音不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。
它是NVH问题中最主要的部分，常用声压级评价。
汽车噪声主要包括车身壁板产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声。
噪声是NVH问题中最主要的部分，汽车上的噪声主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声。
人耳能分辩的声音频率一般在lkHz以下，噪声常用声压和声压级评价。
国家标准规定：汽车加速行驶时车外噪声要小于88dB，M1类汽车应小于77dBN；而车内噪声会影响乘员的语言交流，损伤驾驶员的听力，美国在1965年就规定公共汽车的车内噪声不得超过88dB。
主要通过频率、级别和音质来描述。
Vibration(振动)描述的是系统状态的参量(如位移)在其基准值上下交替变化的过程。
汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、发动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆动等，还有方向盘、仪表板等振动，一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要表现为座椅、地板对人体输入的低频振动，其频率范围在1～80HZ。
主要通过频率、振幅和方向来描述。
Harshness(舒适性)指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来直接度量。
总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人感到疲劳的程度。
二：现象车辆的NVH基本上可以分为车身NVH、发动机NVH和底盘NVH三个部分；类型可以细分为道路NVH、制动NVH、空调系统NVH、空气动力NVH等数个部分。
某车型转向系统NVH性能分析与优化摘要：本文首先针对某车型怠速时转向系统NVH性能存在的问题进行深入的分析，在此基础上将仿真分析与试验测试方法之间实现了有效的结合，然后针对车型转向系统NVH性能优化措施进行了深入的探究，希望能为相关人员提供合理的参考依据。
关键词：转向系统；NVH性能；分析；优化目前，随着我国社会经济的不断发展，人们对于生活舒适度提出了更高的要求，从而对汽车NVH性能引起了高度的重视。
在汽车行驶过程中，转向系统通常会产生振动和噪声现象，并且驾驶员可以对这些现象进行直接的感受，对于整个汽车NVH性能的发挥产生了非常重要的影响。
在对汽车转向系统以及仪表板总成进行设计的过程中，对有限元法进行充分的利用，在此基础上不但可以减少成本的投入，同时还能对转向系统与仪表板安装横梁总成的NVH性能进行准确的预测。
1某车型转向系统有限元分析1.1有限元模型的构建本文在对转向系统有限元模型进行构建的过程中，主要是采用Hypermesh有限元软件来进行，在对有限元模型进行计算的过程中，保证最终的计算结果具有一定的准确性，在此基础上针对该模型进行了相应的优化处理工作，比如对安全气囊进行了集中的模拟，在对钣金件进行模拟的过程中，主要是采用shell单元来进行，在对方向盘以及是十字节进行模拟时，采用实体单元方法来进行。
1.2模态分析在已经构建完善的有限元模型基础上，然后通过MSC.Nastran完成了相应的分析工作，对最终的结果进行求解，其计算结果如下表1所示。
表1 转向系统仿真结果与试验结果对比由上表中所显示的相关数据可以了解到，有限元仿真结果可以符合最终的试验测试结构，并且误差控制在了6%以内，其中1阶固有频率的误差为1.51%，在对转向系统模态结果分析与计算的基础上，可以对有限元模型的准确性进行有效的判定。
1.3模态优化结合实验过程来看，该车型在怠速状态下，其方向盘1阶固有频率与发动机激励频率之间存在共振现象，这就会造成在怠速状态下时，方向盘产生非常大的振动现象。
整车NVH介绍一、NVH定义NVH是指Noise(噪声),Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度),由于以上三者在汽车等机械振动中是同时出现且密不可分,因此常把它们放在一起进行研究。
声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量。
由于声振粗糙描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。
又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。
二、噪声的种类产生汽车噪声的主要因素是空气动力、机械传动、电磁三部分。
从结构上可分为发动机(即燃烧噪声),底盘噪声(即传动系噪声、各部件的连接配合引起的噪声),电器设备噪声(冷却风扇噪声、汽车发电机噪声),车身噪声(如车身结构、造型及附件的安装不合理引起的噪声及噪声源通过各种声学途径传入车内的噪声及汽车各部分振动传递途径激发车身板件的结构振动向驾驶室内辐射的噪声组成车内噪声。
)。
其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上,包括进气噪声和本体噪声(如发动机振动,配气轴的转动,进、排气门开关等引起的噪声)。
因此发动机的减振、降噪成为汽车噪声控制的关键。
此外,汽车轮胎在高速行驶时,也会引起较大的噪声。
这是由于轮胎在地面流动时,位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸入过程所引起的泵气声,以及轮胎花纹与路面的撞击声。
三、噪声的抑制1、改进噪声源噪声源抑制主要为发动机减震、进气噪声抑制、排气噪声抑制及传动系噪声抑制，即优化前消声器、主消声器及降低排气吊挂刚度；改进空气滤清器；采用小动不平衡量传动轴（在动力线校核后基础上）。
1.1、发动机减震减震垫布置原则：动力总成悬置布置主要分为三点式、四点式两种，KZ218系列车型动力总成悬置采用三点式布置。
动力总成质心理论上应布置在三角形重心上，并发动机悬置平面法线交点应在动力总成惯性主轴上方。
面向汽车转向系统NVH性能的分析与设计流程田冠男杨晋谢然徐有忠(奇瑞汽车有限公司乘用车工程研究院CAE部安徽芜湖241009)摘要: 本文提出了一种面向汽车转向系统NVH性能的分析与设计流程,简述了转向系统振动的激励源，针对转向柱总成进行了模态分析与试验对比，并结合提升转向柱与仪表板安装横梁总成NVH 性能的工程实例，进一步针对转向柱安装支架进行了静强度分析与结构优化，该方法最终在奇瑞某车型开发中得到了较好的应用。
关键词: NVH 转向系统分析与设计流程MSC.Nastran 结构优化An Analysis and Design Process Oriented on VehicleSteering System NVH PerformanceTian Guannan, Yang Jin, Xie Ran, Xu YouzhongCAE Department，Passenger Vehicle Product Development, Chery Automobile Company Ltd. Wuhu, Anhui 241009,ChinaAbstract: Orienting on vehicle steering system NVH performance, an analysis and design process is given. Exciting resource of steering system shake is introduced. To analyze mode of steering system, both FEM and test method is used. An example aimed to increase NVH performance of steering column and IP is given. In the example, this analysis process is applied, at last strength analysis and structure optimization of mounting bracket is given, the performance of a Chery passenger car has increased a lot.Key words:NVH, Steering System, Analysis and Design Process, MSC.Nastran, Structure Optimization0 引言汽车上用于改变行驶方向的机构称为汽车转向系。
