淺析基于試驗模態(tài)的機動三輪車方向盤動態(tài)設計

1、淺析基于試驗模態(tài)的機動三輪車方向盤動態(tài)設計         10-06-22 11:40:00     編輯：studa090420                             

2、  作者：李建康 王宇鋒 宮鎮(zhèn) 論文關鍵詞:機動三輪車方向盤優(yōu)化 論文摘要：根據(jù)方向盤的安裝及振動情況，模擬某機動三輪車方向盤試驗模態(tài)的邊界條件，并以模態(tài)試驗結果為依據(jù)，對方向盤進行了動態(tài)優(yōu)化設計，改變方向盤的剛度和質量分布，達到了預期的減振效果。     引言     機動三輪車往往是利用現(xiàn)有零部件組合而成，許多車型采用單缸發(fā)動機，底盤質量小，發(fā)動機與車架間的減振塊并未精心匹配，所以方向盤振動大。當方向盤振動加速度最大達到15g，振幅達到6 mm左右時，駕駛員在長

3、時間的駕駛過程中很容易產(chǎn)生疲勞，失去手感，造成交通事故。在不改變其它設置的情況下，對方向盤的局部結構進行動態(tài)設計，以達到減小方向盤振動的目的。 1方向盤試驗模態(tài)及試驗結果     某機動三輪車樣車使用的單缸汽油機轉速范圍為1 5008 000 r/min，運行過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉速在4 000 r/min, 5 000 r/min和8 000 r/min時方向盤的振動特別大。經(jīng)初步分析，方向盤可能在這幾個轉速下產(chǎn)生共振。為此對方向盤進行試驗模態(tài)分析。測試系統(tǒng)

4、框圖如圖1所示。 為保證試驗情況和實際情況相吻合，并為了試驗方便可行，設計了方向盤試驗裝置。把方向盤通過一根空管緊固在工作臺上，這樣方向盤受約束的情況就和裝在車輛上相近，試驗結果更為可信。此時進行試驗模態(tài)測試為約束模態(tài)測試，試驗采用多點激勵、單點響應的方法。在建立方向盤試驗模型時，構建了24個節(jié)點，整個方向盤上布置的24個測點號碼和節(jié)點號碼一一對應，加速度傳感器裝在節(jié)點3上，位置如圖2所示。     試驗獲得前3階固有頻率、振型描述及模態(tài)阻尼比如表1所示，方向盤振型見圖3。由于試驗環(huán)境好，減少了各種外部干擾，故試驗結果比較理想，頻響函數(shù)曲線光滑、清晰，在

5、所研究的頻率范圍的相干函數(shù)都高于0. 9，因此試驗結果較為可信。 從圖3和表1可以確定，在發(fā)動機工作頻率范圍內方向盤確實存在模態(tài)振型，其前3階的固有頻率，與發(fā)動機在4 000 r/min, 5 000 r/min和8 000 r/min時的激振頻率(分別為66 Hz, 83 H:和133 Hz)相近，故此時方向盤的振動特別大(這里4 000 r/min,5 000 r/min和8 000 r/min為儀表盤上轉速表的

6、讀數(shù)，因該車的轉速表刻度很不精確，人眼讀數(shù)有一定誤差，故激勵頻率與固有頻率不能嚴格對應)。并且從圖中可以看出，方向盤的主要振動在方向盤的外邊緣，其模態(tài)的變化也主要由方向盤外圈的振動情況決定。所以改變方向盤振動情況的有效方法就是改變其固有頻率和振型。 2方向盤改進的理論根據(jù)     模態(tài)阻尼系統(tǒng)運動微分方程為 對方程（1)進行正則化可知 由式(2)知:系統(tǒng)的固有頻率只與系統(tǒng)質量分布和剛度有關。阻尼可以改變系統(tǒng)的振幅大小川。系統(tǒng)的振型可以通過系統(tǒng)的質量分布和剛度來改變。     根據(jù)以上的試驗分析結果可知，增大方向盤外

7、圈的抗彎剛度、減少外圈質量，可改變方向盤的固有頻率和振型，使方向盤的固有頻率高于激勵頻率。      10-06-22 11:40:00     編輯：studa0904203方向盤的改進方案及效果     為了既增加方向盤外圈的剛度又降低外圈的質量，將方向盤外圈由實心圓鋼改為空心圓管。考慮3種方案，方向盤邊緣的抗彎剛度和單位長度的質量變化如表3所示。通過對比可以看到，雖然各種改進設計方案都使方向盤外圈的抗彎剛度得到了較大的提高，但直徑18 mm、壁厚1. 

8、;5 mm圓管的外圈不僅剛度提高幅度大于前兩種方案，而且質量也有所減小，所以選定第3種方案。     對改進設計后的方向盤再進行方向盤模態(tài)試驗，其結果見表4?？梢钥闯?，方向盤的固有頻率有所提高，其第1階固有頻率為136. 72 Hz，高出了發(fā)動機轉速8 000 r/min時的激振頻率133. 3 Hz，所以改進后方向盤的固有頻率已經(jīng)不在發(fā)動機工作時激振范圍內。同時，由表4和圖4可以看出，方向盤的振型也改變了，前幾階振型的順序發(fā)生了變化。 為了檢驗改進設計后方向盤的減振效果，將改進后方向

9、盤裝在機動三輪車上進行實測，方向盤的振動大大減小，改進前大振動轉速時的加速度幅頻曲線(圖5)與改進后加速度幅頻曲線(圖6)的對比可以看到振動大的頻率附近，振動加速度大為減小。同時對加速度時域曲線進行統(tǒng)計(見表5)也證明方向盤振動大大減小。 上述實測數(shù)據(jù)表明，對方向盤質量分布和剛度進行調整，是減小方向盤振動的一個行之有效的方法。      10-06-22 11:40:00     編輯：studa0904203方向盤的改進方案及效果     為了既增加方向盤外圈的剛度又降低外

10、圈的質量，將方向盤外圈由實心圓鋼改為空心圓管?？紤]3種方案，方向盤邊緣的抗彎剛度和單位長度的質量變化如表3所示。通過對比可以看到，雖然各種改進設計方案都使方向盤外圈的抗彎剛度得到了較大的提高，但直徑18 mm、壁厚1. 5 mm圓管的外圈不僅剛度提高幅度大于前兩種方案，而且質量也有所減小，所以選定第3種方案。     對改進設計后的方向盤再進行方向盤模態(tài)試驗，其結果見表4?？梢钥闯?，方向盤的固有頻率有所提高，其第1階固有頻率為136. 72 Hz，高出了發(fā)動機轉速8 000 r/min時的激振頻率133. 3 Hz，所以改進后方向盤的固有頻率已經(jīng)不在發(fā)動機工作時激振范圍內。同時，由表4和圖4可以看出，方向盤的振型也改變了，前幾階振型的順序發(fā)生了變化。 為了檢驗改進設計后方向盤的減振效果，將改進后方向