劉向東

（上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438）

汽車儀表板橫梁總成在車身、儀表板系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間占據(jù)了非常重要的地位，它對于駕駛室內(nèi)的NVH有著重要影響。目前，國內(nèi)各大主機(jī)廠對于方向盤模態(tài)的研究主要是以總成為研究對象[1,2]，如以方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、儀表板橫梁、白車身為研究對象，或者在此基礎(chǔ)上增加儀表板、空調(diào)零件為研究對象。此方法研究需要涉及很多零件，而儀表板橫梁作為整車開發(fā)的架構(gòu)件，開發(fā)處于靠前的階段。如果等到所有零件都設(shè)計(jì)完畢后再進(jìn)行整車方向盤模態(tài)的研究，一旦方向盤模態(tài)較差，那么儀表板橫梁的設(shè)計(jì)將會(huì)有較大的變動(dòng)，甚至影響架構(gòu)策略。為此本文提出了針對儀表板橫梁子零件的模態(tài)分析方法以及試驗(yàn)驗(yàn)證方法。通過對比有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，得出相關(guān)結(jié)論。

1 儀表板橫梁模態(tài)有限元分析

1.1 有限元分析模型建立

儀表板橫梁一般采用冷軋鋼，本文中儀表板橫梁的管梁材料選擇的是ST37-2G，其余沖壓件均采用SPCC。在仿真分析當(dāng)中，材料的泊松比0.28，彈性模量取2.1 Gpa，密度取7 850 kg/m3。

1.2 邊界條件及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

儀表板橫梁主、副管梁之間以及安裝支架與管梁之間均采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，本文有限元模型中焊縫使用Rigid單元約束模擬。儀表板橫梁與白車身之間通過12個(gè)螺栓進(jìn)行連接，因白車身近似看成剛形體，所以每個(gè)螺栓連接點(diǎn)的6個(gè)自由度均進(jìn)行固定約束[3]。

1.3 目標(biāo)值的確定

儀表板橫梁的模態(tài)分析最終目的是保證方向盤的振動(dòng)頻率大于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率，防止二者因頻率接近或者相同而出現(xiàn)方向盤抖動(dòng)的情況。一般在整車系統(tǒng)下，要求方向盤的模態(tài)大于35 Hz[4]。設(shè)計(jì)前期，因儀表板橫梁上面還要裝儀表板、前空調(diào)總成、轉(zhuǎn)向管柱、電器件等，所以給儀表板橫梁零件的目標(biāo)值為一階整體模態(tài)值大于100 Hz。

1.4 有限元分析結(jié)果

根據(jù)CAE分析的結(jié)果得出前8階模態(tài)，具體值如表1所示。其1階整體模態(tài)出現(xiàn)在零件的第5階固有頻率，模態(tài)值為110.36 Hz，符合目標(biāo)大于100 Hz的要求。

表1 CAE結(jié)果

一階整體模態(tài)（第5階）CAE結(jié)果如圖1所示，由此圖可以看出，儀表板橫梁的主管梁、副管梁以及兩個(gè)支撐立柱首次同時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)情況。

2 儀表板橫梁模態(tài)物理試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及測試方法

物理試驗(yàn)使用的設(shè)備為振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，采用掃頻的方式來確定儀表板橫梁的固有頻率。儀表板橫梁要求固定在模擬車身的剛性支架上。振動(dòng)條件為：試驗(yàn)加速度為1g，掃 頻頻率范圍25-150 Hz，掃頻速率為 1 oct/min。為避免出現(xiàn)偶然性，試驗(yàn)采用 3套儀表板橫梁工裝樣件。

2.2 剛性支架的制作

剛性支架必須能夠模擬車身的安裝點(diǎn)，為儀表板橫梁提供可靠的固定。為使剛性支架不對儀表板橫梁的試驗(yàn)結(jié)果造成影響，一般會(huì)要求剛性支架自身模態(tài)高于掃頻頻率范圍（一階模態(tài)大于150 Hz），為了支架更加接近完全剛性狀態(tài)，本試驗(yàn)所使用的支架一階模態(tài)值達(dá)到220 Hz。

需要強(qiáng)調(diào)一下，剛性支架的設(shè)計(jì)必須考慮其自身的模態(tài)值，一階模態(tài)值越高越接近剛性。如果剛性支架自身模態(tài)低于儀表板橫梁的模態(tài)值，那么會(huì)對測得結(jié)果造成影響，因此試驗(yàn)前必須對剛性支架自身模態(tài)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。作者本人曾經(jīng)因剛性支架不符合要求而試驗(yàn)失敗。

2.3 傳感器的選點(diǎn)

因本試驗(yàn)要測試儀表板橫梁總成的一階整體模態(tài)值，整體模態(tài)我們關(guān)注的是主管梁、副管梁，因此我們選擇 3個(gè)測點(diǎn)，分別為主管梁上Point2，副管梁上Point3，中下部支架上Point 1，具體位置如圖2所示:

2.4 判定要求

儀表板橫梁一階整體模態(tài)固有頻率 ≧100 Hz。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

針對隨機(jī)選擇的 3個(gè)儀表板橫梁工裝樣件，分別固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上的剛性支架上面進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，具體結(jié)果如表2所示：

表2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)值

掃頻曲線圖（樣件1）趨 勢如圖3所示：前4階頻率每個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)趨勢均不相同，當(dāng)出現(xiàn)第5階頻率時(shí)，每個(gè)測點(diǎn)加速度均出現(xiàn)峰值，此時(shí)對應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)掃頻頻率為108 z，即一階整體模態(tài)值為108 Hz。

3 CCB模態(tài)CAE分析與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

由CAE模態(tài)云圖可以看出，第一至第四階模態(tài)均為單獨(dú)小支架的局部模態(tài)，第五階模態(tài)時(shí)出現(xiàn)CCB整體模態(tài)。由物理試驗(yàn)掃頻結(jié)果可以看出，到第五階模態(tài)時(shí)，三條掃頻曲線同時(shí)出現(xiàn)波峰，說明是第一階整體模態(tài)。通過對比可以看出，物理試驗(yàn)得出一階整體模態(tài)值與CAE分析結(jié)果稍有不同，但是趨勢基本一致。

物理試驗(yàn)得出的結(jié)果（106 Hz-108 Hz）-比CAE結(jié)果（110 Hz）低了2-4 Hz，經(jīng)過分析，原因主要有以下幾個(gè)方面：第一，CAE分析的邊界條件與物理試驗(yàn)邊界條件存在一定的差距，CAE分析過程認(rèn)為安裝點(diǎn)是完全剛性的[5]，而物理試驗(yàn)使用的固定工裝雖然剛性很強(qiáng)，但是畢竟達(dá)不到完全剛性。第二，儀表板橫梁樣件與有限元模型之間存在差異，有限元模型里面賦予零件的材料密度、厚度都是均勻的，而樣件因沖壓工藝的問題，材料的密度、厚度可能有好多地方都是不均勻的。第三，樣件的焊縫長度以及焊接質(zhì)量都存在誤差，而有限元分析過程認(rèn)為支架之間的焊接都是存剛性連接。當(dāng)然，物理試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果存在一定的公差也屬正常，找到這個(gè)差值對于前期設(shè)計(jì)可以起到指導(dǎo)性作用。

4 結(jié)語

本文提出了對于儀表板橫梁子系統(tǒng)零件的模態(tài)分析方法，探索并總結(jié)了儀表板橫梁模態(tài)物理試驗(yàn)方法。通過對某款商用車的儀表板橫梁進(jìn)行模態(tài)的有限元分析以及后續(xù)樣件的物理試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了 CAE結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。通過對比物理試驗(yàn)與 CAE分析結(jié)果，得到了二者的差值。本文對于汽車儀表板橫梁總成前期設(shè)計(jì)時(shí)模態(tài)CAE目標(biāo)值的確定及單獨(dú)子系統(tǒng)零件模態(tài)試驗(yàn)方法的探索與研究，可以使儀表板橫梁設(shè)計(jì)更加合理、避免后期出現(xiàn)較大的工程更改，對于其他車型儀表板橫梁的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]王希珂.基于NVH 的轉(zhuǎn)向及儀表板振動(dòng)特性研究[D].燕山大學(xué),2013.

[2]呼華斌,徐有忠等.儀表板總成模態(tài)分析[A].第五屆中國CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集[C],2009.

[3]王巖.某商用車儀表板總成模態(tài)分析及其優(yōu)化[J].輕型汽車技術(shù).2011:16-19.

[4]周 方明,顏益,蘇晨,池金波.基于ANSYS 的汽車儀表板橫梁焊接支架模態(tài)分析[J].武 漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012:219-221 .

[5]張 洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS 應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2010.9.