張澤豫，焦志勇，趙鵬，蘇仕見

（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

前言

汽車前副車架不僅是作為汽車懸掛連接部件與車身之間的一種輔助裝置，同時也是汽車底盤中重要零件之一，該結(jié)構(gòu)常見于采用承載式車身的車型中。副車架的作用是阻礙振動和噪聲的傳播，減少其進入車廂，因此在主要出現(xiàn)在豪華的轎車和越野車上，有些汽車還在引擎裝上副架。傳統(tǒng)的承載式車身沒有副車架，其懸掛直接與車身鋼板相連的，所以前后車架的懸掛搖臂機構(gòu)都為散件，易與路面、發(fā)動機激勵產(chǎn)生共振。在副車架誕生以后，可以將前后懸掛裝在副車架上，構(gòu)成一個車架總成，然后再統(tǒng)一安裝到車身上。本文通過對副車架與前車架的連接的優(yōu)化，以及對局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來降低可能發(fā)生共振的概率。

1 副車架模型的建立

本文研究工作中，主要采用有限元前處理軟件 Hyper-mesh建立汽車前車架有限元模型。如圖所示，為本有限元建模的基本流程[1]，其中各操作所需的具體研究工作如下：

圖1 有限元建模流程

1）幾何模型的清理與簡化。在進行有限元網(wǎng)格劃分工作前，需要對副車架結(jié)構(gòu)幾何模型進行幾何清理工作，修正模型導入時出現(xiàn)的錯誤孔、面、線和因軟件之間兼容性產(chǎn)生的錯誤。由于有限元結(jié)構(gòu)時對實際模型的近似處理，因此在有限元模型建立時，可以在不影響模型整體力學特性上進行適當?shù)膸缀魏喕瑒h除對結(jié)構(gòu)無影響或者影響細微的結(jié)構(gòu)，以減少有限元模型建立的工作量。

2）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元類型的正確選取不僅直接影響有限元分析計算的準確度，而且還會影響有限元分析計算的時間，在建立模型過程中，通常以四邊形單元為主、三角單元為輔相的方式來進行網(wǎng)格劃分。

3）網(wǎng)格質(zhì)量的檢驗。根據(jù)副車架的結(jié)構(gòu)特性，長度、寬度遠遠大于厚度，故采用殼單元來進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過對副車架網(wǎng)格的多次劃分和網(wǎng)格質(zhì)量的對比，最終以 8mm的四邊形單元來進行網(wǎng)格劃分。對于過渡曲面和可能發(fā)生局部應力集中的細節(jié)采用三角單元進行劃分，充分發(fā)揮三角單元的特點，使網(wǎng)格質(zhì)量得到更好的優(yōu)化。最終劃分的網(wǎng)格單元個數(shù)為443840，節(jié)點為375655，單元質(zhì)量檢查規(guī)范見表1。

表1 單元質(zhì)量檢查規(guī)范

4）材料定義。根據(jù)副車架的結(jié)構(gòu)選取材料剛作為模型屬性，屈服極限 420MPa，彈性模量 210000Pa，泊松比 0.3，密度 7800kg·m-3。

2 副車架有限元分析

對轎車副車架進行模態(tài)分析，了解其應力情況和承載特性，在給定工況的情況下進行模態(tài)分析，提取副車架與車身的連接點和載荷激勵。然后根據(jù)副車架在整車上的實際約束狀態(tài)進行約束，副車架與車架有四個螺栓進行連接，約束其在 X，Y，Z三個方向的平動自由度。然后對其進行模態(tài)計算，前副車架的安裝模態(tài)105.7HZ。根據(jù)相關(guān)文獻調(diào)查，在高速公路和一般城市的路況，路面激勵頻率大都在 25Hz以下[2-3]。汽車在怠速、正常行駛和加速行駛等不同的路面工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速有所不同，發(fā)動機傳遞至副車架的激勵也不同。由發(fā)動機激振頻率公式為：

式中：z—發(fā)動機缸數(shù)；ω—發(fā)動機轉(zhuǎn)速；τ —發(fā)動機沖程數(shù)。

對加速振動噪聲控制存在風險，如 105Hz-3150r/min，128Hz-3840r/min，發(fā)動機的激振頻率與該副車架的低階頻率接近有可能會引起共振，從而影響汽車行駛平順性和副車架的使用壽命，所以有必要對副車架的低階頻率進行優(yōu)化改進提高其性能。

圖2 副車架安裝模態(tài)

圖3 副車架模態(tài)分析

3 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化依據(jù)

由式可知，鈑金件的剛度k與長度L的平方成反比，與厚度h的三次方成正比，與材料的楊氏模量成正比。要想提高板的剛度，必須減少板的長度和增加厚度，或者更換楊氏模量更高的材料。顯然，由于材料屬性和設計的限制，板的長度和厚度很難改變，材料很難更換。因此，要想提高鈑金件的剛度就必須從其他方面著手[4-6]。

工程上，提高板的剛度的方法有下面幾種：

1）將板做成階梯狀或槽型

2）在板上面沖筋或做成曲面板

3）在板上增加支撐結(jié)構(gòu)，如加筋板或貼補強膠

根據(jù)車架模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)導致副車架安裝模態(tài)低的原因可能是：副車架、減震器塔、導水槽的剛度為串聯(lián)結(jié)構(gòu) ，雖然副車架模態(tài)較高，但未形成封閉閉環(huán)，造成安裝剛度不足。105Hz峰值主要由于減震器塔、導水槽未形成封閉閉環(huán)造成；128Hz峰值主要由于減震器塔與縱梁剛度不足造成。

圖4 車架模態(tài)分析

3.2 優(yōu)化方案一

修改導水槽活動板結(jié)構(gòu)，使得活動板與車身連接結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)十導水槽活動連接板向-Z向延伸40mm（如圖所示），導水槽內(nèi)增加加強板件，厚度為 1.5mm，并增加螺栓連接（如圖所示）。

圖5 導水槽優(yōu)化前

圖6 導水槽優(yōu)化后

圖7 優(yōu)化前螺栓連接

圖8 優(yōu)化后螺栓連接

3.3 優(yōu)化方案二

修改縱梁根部，加長縱梁長度，如圖所示：

圖9 優(yōu)化前縱梁根部

圖10 優(yōu)化后縱梁根部

3.4 優(yōu)化方案三

修改縱梁外板結(jié)構(gòu)，由于凹槽結(jié)構(gòu)不利于縱梁Y向抵抗彎曲剛度，所以填平凹槽并起筋，增加截面抗彎矩慣性矩，在圖示位置增加5mm起筋，如圖所示：

圖11 右縱梁外板修改示意圖

圖12 將右縱梁外板圖示處凹槽填平

3.5 優(yōu)化結(jié)果

圖13 副車架FRF分析

進行優(yōu)化后的副車架進行FRF分析。優(yōu)化前副車架二階模態(tài)為105Hz，優(yōu)化后模態(tài)提升6Hz，三階模態(tài)128Hz提升至131Hz，在模態(tài)頻率上有明顯的提升；副車架Z向加速度由105Hz時0.152m/s2/N減少至0.088m/s2/N，降低了42.1%，128Hz時0.14m/s2/N減少至0.068m/s2/N，降低了51.4%。

表2 優(yōu)化結(jié)果對比

圖14 優(yōu)化結(jié)果（—優(yōu)化前—優(yōu)化后）

4 結(jié)論

以某轎車副車架為研究對象，基于HyperWorks有限元前處理軟件分析。表明結(jié)果：

（1）副車架的二階三階模態(tài)頻率與發(fā)動機105Hz-3150r/min，128Hz-3840r/min轉(zhuǎn)速時激振頻率較為接近從而可能會產(chǎn)生共振現(xiàn)象；（2）為了避免共振現(xiàn)象發(fā)生，對車架減震器塔、導水槽、縱梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以避免共振的發(fā)生，為工程改善車架結(jié)構(gòu)提供了寶貴意見；（3）對優(yōu)化后的副車架進行FRF分析，不僅二階模態(tài)和三階模態(tài)提升了5Hz左右，在Z向的加速度減少了45%以上，具有重要的實用價值。