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基于试验模态的机动三轮车方向盘动态设计


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2 5 1    0 年l月 0 

农 业 机 械 学 报 

第3卷第l期 6 l 

基 于试验模 态的机动三轮车方 向盘动态设计 
李 建 康  王 宇锋  宫 镇   
【 摘要】 根据方 向盘的安装及振 动情 况 ,

某机动三轮 车方 向盘试 验模态 的边界条件 , 以模态试验 结果  模拟 并
为依据 , 对方向盘进行 了动态优化设计 , 改变方向盘的刚度和质量分布 , 达到 了预期 的减振效果 。   关键 词 : 机动三轮车 方 向盘 优化 

中图分类号 : 6 . 6 .  U4 3 4 0 2

文献标识 码 :   A

引言 
机 动三 轮 车往 往 是 利 用现 有零 部 件组 合 而 成 ,   许 多车型 采 用单缸发 动机 , 盘质 量 小 , 动机与 车  底 发 架 间的减 振块 并未精 心匹配 , 以方 向盘振 动大 。 所 当  方 向盘 振 动 加 速 度 最 大 达 到 1g, 幅达 到 6mm  5 振  

3上 , 位置 如 图 2所 示 。  

试 验获 得前 3阶 固有  频 率 、 型 描 述 及 模 态 阻  振
尼 比 如 表 1所 示 , 向 盘  方

振型 见图 3 。由 于试 验 环 
境 好 , 少 了各 种 外 部 干  减

左右时, 驾驶员在长时间的驾驶过程 中很容易产生 
疲 劳 , 去手感 , 失 造成 交 通事故 。在不改 变 其它设 置 

扰 , 试验 结 果 比较 理 想 , 故   频 响 函数 曲线光 滑 、 晰 , 清   在 所研 究的频 率 范 围 的相 
图 2 方 向 盘 的 测 点 

的情况下 , 对方向盘的局部结构进行动态设计, 以达 
到 减小方 向盘 振动 的 目的 。  

和节点分布 

干函数都高于 0 9 因此试验结果较为可信嘲。 .,  
表 1 原方向盘试验模 态结果 

1 方向盘试验模态 及试验结果 
某机 动三 轮车 样 车使用 的单 缸 汽油机 转速范 围  为 150-  0 / n 运 行 过 程 中发 现 发 动 机 转    0  ̄ 800rmi, - 向盘 的振动 特别大 。 初步 分析 , 向盘 可能在这 几  经 方 个 转速下 产 生共 振 。为此对 方 向盘进 行试 验模 态分 

善 _— {器—    网 广 力 r— 传  感I + — 圆塥昊 ]  
图 3 原方 向盘 前 3阶试验模态振型 图 

为保证试 验情况和实际情况相吻合 , 并为了试 
验方便 可行 , 设计 了方 向盘 试验 装 置 。 方 向盘 通过  把


() 1 a 第 阶振型

()第 2 b 阶振型

()第 3 c 阶振型 

从 图 3 表 1可 以确 定 , 发 动 机工 作 频 率 范  和 在 围内方 向盘 确 实 存 在模 态 振型 , 前 3阶 的 固有 频  其 率 , 发 动 机 在 4 00 rmi、5 0 0 rmi 和  与   0  / n   0  / n 800rmi时的 激 振频 率 ( 别 为 6  、 3Hz和   0 / n 分 6Hz8  1 3Hz 相 近 , 此 时 方 向盘 的 振 动 特 别 大 ( 里  3  ) 故 这
40 0rri、  0  / n和 80 0rmi 仪表 盘   0  / n 50 0rmi a   0  / n为

根 空 管紧 固在工 作 台上 , 样方 向盘 受 约束 的 情  这

况就和装在车辆上相近 , 试验结果更为可信 。 此时进 
行 试 验 模 态测 试 为 约 束模 态 测 试 [, 验 采 用 多 点  1试 ] 激励、 单点 响应 的方 法 。在建立 方 向盘试 验 模型 时 ,   构建 了 2 个 节 点 , 个方 向盘 上 布 置 的 2 测 点  4 整 4个 号 码 和 节 点号 码一 一 对 应 , 加速 度 传 感 器装 在 节 点 
收稿 日期 : 0 4— 7 3 2 0 0 —1  李建康 江 苏大学理 学院 教授 ,2 2 1 镇江 市  103

上 转速 表的读 数 , 因该 车 的转速 表刻度 很 不精 确 , 人 

王宇 锋 江苏大学汽 车与交通工程学院 富 镇 江苏大学汽车与交通工程学院

硕士生  教授 博士生导师 

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报 

眼读 数有 一定 误 差 , 故激 励频 率 与 固 有频 率 不能 严  格对应 ) 。并 且从 图 中可 以看 出 , 向盘 的主要 振动  方 在方 向盘 的外 边 缘 , 模 态 的变 化也 主要 由方 向盘  其 外圈 的振动情 况决 定 。所 以改变 方 向盘振 动情况 的 
有效方 法就是 改变 其 固有频 率和 振型 。  

由式 () : 2 知 系统 的 固有频 率 只与 系统 质量分 布 
和 刚度 有关 。 阻尼可 以改变 系统 的振 幅大 小[ 。 统  4系 ]

的 振型可 以通过 系统 的 质量分 布和 刚度 来改 变 。   根 据 以 上 的试 验 分 析 结果 可 知 , 大方 向盘 外  增 圈的抗 弯刚 度 、 减少 外 圈质量 , 改变方 向盘 的 固有  可 频 率和 振型 , 方 向盘 的 固有 频率 高于激 励频 率 。 使  

2 方 向盘改进 的理论根据 
模态 阻尼 系统运 动微 分方 程为 
M; c x k +C + X— F   () 1 

3 方向盘 的改进方案及效果 
为 了既增 加方 向盘 外 圈的刚 度 又降低 外 圈的质  量, 将方 向盘 外 圈 由 实心 圆钢 改为 空 心 圆管 。考 虑  3 方 案 , 向盘 边 缘 的抗 弯 刚 度和 单 位 长度 的质  种 方
量 变 化如表 3所 示 。 过对 比可 以看 到 , 通 虽然各 种改 

对方 程 ( ) 行正 则化 可知  1进 X ̄ u MXu =Mp j ^ p 矗  ^  p     f   —c K f —  
P 一  / ; M  一C /2   (M ) ( 一 1 2 … ,     r , ,  )

式 中 

—— 模 态矩 阵

P—— 固有频 率   

进设计方案都使方 向盘外圈的抗弯刚度得到了较大 
的提 高 , 直 径 1  但 8mm、 壁厚 1 5 .  mm 圆管 的外 圈不 

阻 尼系统 的运 动方 程为 


耋     F TM XX rr F 

仅刚度提高幅度大于前两种方案 , 而且质量也有所 
减 小 , 以选 定第 3 方 案 。 所 种  

其 中 

一 / ]   p[  3

对改进设计 后的方 向盘再进行方 向盘模 态试 
表 3 方 向盘 外圈改进 前后质量和抗弯刚度比 较 

验, 其结 果见表 4 。可 以看 出, 向盘 的 固有 频率 有  方 所提 高 , 其第 1阶固 有频 率 为 1 67  , 出 了发  3 .2Hz高
动 机 转速 80 0r ri 的 激 振频 率 1 3 3Hz 所    0  / n时 a 3 .  , 以改进 后方 向盘 的 固有频率 已经 不在 发动 机工 作 时  激 振范 围 内。同 时 , 由表 4和 图 4可 以看 出 , 向盘  方 的振型 也改变 了 , 前几 阶 振型 的顺 序 发 生了 变化 。  
表 4 改进后方向盘试验模态结果 

上 述 实测 数 据 表 明 , 对方 向盘 质量 分 布和 刚 度 

进行 调 整 , 减小 方 向盘 振动 的一 个行 之 有效 的方  是
法。  

() a  

() b  

图 4 改进后 的方 向盘 试验 模态结果 
注: 由于 该 机 设 计 的 方 向盘 没 有 铸 塑 , 以阻 尼 比 比改 进 前 小  所

( ) 1阶振型 ( a第 ,一1 6 7  )( ) 2阶振型 ( 3 . 2Hz b 第 ,:2 4 1  ) 4.4   Hz

很 多。  

表 5 改进前 后在时域 里的减振对比 

为 了检验 改 进设 计 后 方 向盘 的减 振效 果 , 改  将 进 后方 向盘装 在 机 动三 轮 车 上 进行 实 测 , 向盘 的  方 振 动大 大 减 小 , 进 前 大 振动 转 速 时 的加 速 度 幅频  改 曲线 ( 5与 改 进 后加 速 度 幅频 曲线 ( 6 的对 比  图 ) 图 ) 可 以看 到 振动大 的频 率 附近 , 振动 加速度 大 为减 小 。  
同 时对加 速度 时域 曲线进 行 统计 ( 表 5 也 证 明方  见 ) 向盘振 动大 大减 小 。  

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第 l 期  1
4  

李建康 等 ; 基于试 验模态的机动三轮车方 向盘动 态设计 
30 ,   34 . 

等  
2   15 ,   17 . 

型  
≈ 

晨 
1 53   9 .1 3 06  9 .3 0   6  3

最 
0   1 53   9 .1 3 06   9 .3

0  

频率 / z H  () a 

频率 /z H  () b 

频 率 /z I  - I
() c 

图 5 改进前方向盘幅频 曲线 
() = 40 0rri  ( )n 50 0rri  () 一 800rri  a   0 / n b =  0 / n c  a a   0 / n a
07   .5

2  

1 .  30

03   .7

1  

65 . 

居 
0   6  3 0  

曩 
1 53   9 1


频率 / z H  () a 

3 06   9.3

0  

频率 / z I  - I () b 

1 53   9 .1

3 06   9 .3

频率】 z I/   cH 、  

图 6 改进后方向盘幅频 曲线 
() 一 40 0rmi  ( ) = 50 0rri  () 一80 0rri a   0  / n b   0  /an c    0 / n a  

4 结论 
() 向盘 振动 大 的主要 原 因之一 , 由于方 向  1方 是 盘 的某 阶固有 频 率和 激 振 频 率相 近 引 起 的 , 以通  可 过 改变方 向盘 的 固有频 率和 振型 得 以解 决 。   ( ) 方法 可 以 推行 到 不 能 改变 整 体 结构 但 又  2本
参 考

要解 决 局部 位置 振动 的其 它领域 。   () 3对于 动态设 计 问题 , 质量 分 布和 刚度大 小 必 
须兼 顾 。  

() 4对整 车 的某些 部 件再进 行 边界 约束模 拟 , 并  对 所 模拟 的部 件 进 行 动 态设 计 , 解 决 局部 振 动 的  在 领域 中是一个 行 之有效 的方法 。  
文 献 

1 傅志方 , 华宏星 .模态分析 理论与应用.上海 : 上海交通大学出版社 ,0 0 20.  

2 朱壮瑞 , 孙庆鸿 , 孙凌玉 等.基于模 态试验的客车 白车 身动力学 模型修正研 究.汽车工程 ,0 1 3 ( ) 17 2  2 0 ,1 2 :2 ~1 9
3 张准 , 汪凤泉.振 动分析.南京 : 东南大学出版社 ,9 1 19 .  
4 Hy u g Yu   m . S r cu a  y a c s se r c n tu to   t o  o   irtn   tu t rs o r a  fDy a i   e n — n Ki tu t rld n mi y tm e o sr cin me h d f rvb aig sr cu e .J u n lo  n m c    
S s e , e s r m e t n   n r l 2 0 , 2 1 ): 4 ~ 6 3 y t ms M a u e n ,a d Co to , 0 3 1 5( 2 6 6 5 

( 上接第 17   7 页) 加工液 所产 生的 磨削 比均 大于 使用 乳化 液所产 生 的 

液在 降低 切削 力 、 高磨 削 比、 高表 面精 度 和冷 却  提 提 等方 面都要 优 于 3- 2号 C "1 ' M/生 态加工液 。  
小 旧  

C  液够轻吾耗削最。见 3结 语 磨 比 能减刀 磨 比大可’ Mn 削  J工 加 具 损 束
。 

通 过 大 量 的切 削 和 磨 削试 验 表 明 : 传统 加工  与

试验 结果 表 明 : 传统 加工 液 ( 与 如乳 化液 ) 比 , 相  

液( 如乳化液) 比, 相 各种 C 生态加工液具有 良好  MJ 的润 滑 和冷 却效 果 。经过 对试 验 中所 使 用 的 2 1  ~ 2
号 生 态 加工 液进 一 步 对 比分 析 发 现 , 生 态 加 工  2号
参 考

各种 C 生态加工液能将切削 力降低 3 % , MJ 0 并且  获 得 与 使 用 普 通 乳 化 液 同等 或 更 高 的 表 面 加 工 质 
量 , 时还能 获得 良好 的冷 却效 果及 很 高的 磨削 比。 同  
文 献 

1 魏源迁.论生态加工与环境保护 .金刚石与磨料磨具工程 , 0 4 4 :8 0 2 0 ( )2  ̄3 
2 魏源 迁.论生态加工液与零排放 生产 .金刚石与磨料磨具工程 ,20 () 2 ~2  0 4 3 :3 7
3 W e Y a qa 。 t 1 t d   f o ie   it e  o ma hnn   ud . rc e ig   f h  t   t C n . nF o t r    i u n in e  .S u yo  mbn d m s— t c — c iigf is P o e d n s   e6h I . o f o   r n i s   a c j e l ot n e
o  sg   n   a u a t r g (CFDM ’ 4 ,Xi n,2 0 . fDe in a d M n f c u i n I 0 ) ’ a 0 4 

4 魏源迁.微量油膜 附水滴切削液 的研 究.中国机械工程 ,20 ,1 ( ) 9 ~2 6 3 2 0 4 54 :2 5 9 , 1 
5 王 爱 玲 , 源 迁 .油 膜 附 水 滴 加 工 液 的 物 理 特 性 与 加 工 性 能 .金 刚 石 与 磨 料 磨 具 工 程 ,2 0 ( ) 5     魏 0 4 1 :~9


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