电动转向管柱振动特性的FEA解析

王和毅,余振伟

(耐世特汽车系统有限公司，上海　200042)

0　引言

近年来，汽车电动助力转向的深入开发应用为智能驾驶、节能环保提供了有效的解决方案。截至目前，国内的乘用车尤其是紧凑型车辆，从成本、布置、轻量化等方面考虑，多采用管柱式电动助力转向系统 CEPS(来自于IHS的统计数据，2016年CEPS约占60%)。电动转向管柱为汽车转向提供助力和各种适时修正补偿的同时，受到来自于动力总成、路面的激振和车轮不平衡的影响，若产生共振可能会导致系统无法正常工作[1]。因此，有必要在设计阶段对电动转向管柱振动特性进行解析优化，避开激励源的激振频率，以改善驾驶员的操控体验，缓解驾驶员的紧张疲劳，提高行车的舒适性和安全性。

1　管柱振动的力学特性及影响因素

针对电动转向管柱结构及其在整车CCB上的安装特点，可将管柱简化为一个悬臂梁。根据欧拉—伯努利梁理论，悬臂梁微分方程推导的各阶自然频率可按下式进行计算：

(1)

其中：k1为振型常数；l为悬臂梁长度；ρ为材料密度；A为梁横截面积；E为弹性模量；I为惯性矩；EI表征了结构抵抗弯曲变形的能力。

由此可见，为改善电动管柱的振动特性，提升系统的自然频率，可通过减小方向盘至管柱上安装点的悬臂长度、采用轻质材料或较大弹性模量的材料来实现。更进一步研究表明，截面惯性矩、护管外径以及转向芯轴直径的增大，都将有利于电动管柱自然频率的提升。

主机厂对CEPS振动特性直接相关的自然频率通常会有较高的要求，且有不断提升的趋势。……