汽车仪表板及转向管柱模态分析温立志吴文江2，杜彦良2（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044；2石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043）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35Hz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，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。

　　随着汽车轻量化的发展以及对NVH（NoiseVibrationandHarness）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，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。因此，避免激励源和转向系统及仪表板本身的固有频基金项目：教育部科学技术研究重点课题资助（209004）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向管柱和仪表板本身的固有频率为乘用车发动机怠速的转速一般为700 ~1000r/min，对于4缸发动机，怠速激振频率约为20 ~30Hz；缸的激振频率约为30~50Hz，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高怠速激振频率（30Hz或50Hz）。

　　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模型主要材料参数材料名称泊松比弹性模量/MPa运用前处理软件HyperMesh进行有限元模型的建立，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（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（b）中的约束点所示。

　　（a）仪表板、加强梁、转向机、中央除霜风道（b）副仪表板约束示意图Fig. 3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35Hz以下的局部或整体固有模态特性M及转向盘上下左右振动频率进行分析。

　　经计算得到仪表板35Hz以下固有模态W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 ~900r/min激振频率为23.3~30Hz.各阶振动振型如~所示。

　　温立志等：汽车仪表板及转向管柱模态分析部件模态频率/Hz振型描述仪表板23. 58下仪表板左下挡板处前后局部振型28. 81上仪表板上部整体一阶上下振型转向盘32. 03转向盘上下振动振型63. 34转向盘左右振动振型表2仪表板35固有模态特性及转向盘振动特性描述仪表板左下挡板处前后局部振型23.58Hz上仪表板上部整体一阶上下振型2881Hz转向盘上下振动振型32转向管柱处。转向盘上下振动固有频率为32.03Hz，左右振动固有频率为63. 34Hz，满足转向盘振动固有频率高于30Hz的分析要求，可以避开发动机怠速激振频率。

　　仪表板处。下仪表板左下挡板处前后局部振动频率为23.58Hz，上仪表板上部整体一阶上下振动频率为28. 81Hz，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。

　　转向盘左右振动振型63. 4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30Hz以上，避免怠速共振现象的产生。

　　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3.0mm加厚至3.5mm.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30.57Hz，满足仪表板整体振动频率高于30Hz的分析要求。

　　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。