淺析基于試驗?zāi)B(tài)的機(jī)動三輪車方向盤動態(tài)設(shè)計

1、淺析基于試驗?zāi)B(tài)的機(jī)動三輪車方向盤動態(tài)設(shè)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(guān)鍵詞:機(jī)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(jī)動三輪車方向盤試驗?zāi)B(tài)的邊界條件，并以模態(tài)試驗結(jié)果為依據(jù)，對方向盤進(jìn)行了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，改變方向盤的剛度和質(zhì)量分布，達(dá)到了預(yù)期的減振效果。     引言     機(jī)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(jī)，底盤質(zhì)量小，發(fā)動機(jī)與車架間的減振塊并未精心匹配，所以方向盤振動大。當(dāng)方向盤振動加速度最大達(dá)到15g，振幅達(dá)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(shè)置的情況下，對方向盤的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計，以達(dá)到減小方向盤振動的目的。 1方向盤試驗?zāi)B(tài)及試驗結(jié)果     某機(jī)動三輪車樣車使用的單缸汽油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 5008 000 r/min，運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下產(chǎn)生共振。為此對方向盤進(jìn)行試驗?zāi)B(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(shè)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(jié)果更為可信。此時進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)測試為約束模態(tài)測試，試驗采用多點激勵、單點響應(yīng)的方法。在建立方向盤試驗?zāi)Ｐ蜁r，構(gòu)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(yīng)，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(jié)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(jié)果較為可信。 從圖3和表1可以確定，在發(fā)動機(jī)工作頻率范圍內(nèi)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(jī)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(zhuǎn)速表的

6、讀數(shù)，因該車的轉(zhuǎn)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(yán)格對應(yīng))。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(jìn)的理論根據(jù)     模態(tài)阻尼系統(tǒng)運(yùn)動微分方程為 對方程（1)進(jìn)行正則化可知 由式(2)知:系統(tǒng)的固有頻率只與系統(tǒng)質(zhì)量分布和剛度有關(guān)。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(zhì)量分布和剛度來改變。     根據(jù)以上的試驗分析結(jié)果可知，增大方向盤外

7、圈的抗彎剛度、減少外圈質(zhì)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(jìn)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(zhì)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(zhì)量變化如表3所示。通過對比可以看到，雖然各種改進(jìn)設(shè)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(zhì)量也有所減小，所以選定第3種方案。     對改進(jìn)設(shè)計后的方向盤再進(jìn)行方向盤模態(tài)試驗，其結(jié)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(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r/min時的激振頻率133. 3 Hz，所以改進(jìn)后方向盤的固有頻率已經(jīng)不在發(fā)動機(jī)工作時激振范圍內(nèi)。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(jìn)設(shè)計后方向盤的減振效果，將改進(jìn)后方向

9、盤裝在機(jī)動三輪車上進(jìn)行實測，方向盤的振動大大減小，改進(jìn)前大振動轉(zhuǎn)速時的加速度幅頻曲線(圖5)與改進(jìn)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(jìn)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(zhì)量分布和剛度進(jìn)行調(diào)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(jìn)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(zhì)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(zhì)量變化如表3所示。通過對比可以看到，雖然各種改進(jìn)設(shè)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(zhì)量也有所減小，所以選定第3種方案。     對改進(jìn)設(shè)計后的方向盤再進(jìn)行方向盤模態(tài)試驗，其結(jié)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(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r/min時的激振頻率133. 3 Hz，所以改進(jìn)后方向盤的固有頻率已經(jīng)不在發(fā)動機(jī)工作時激振范圍內(nèi)。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(jìn)設(shè)計后方向盤的減振效果，將改進(jìn)后方向