葉勤，夏衛(wèi)群，賀橋利，廖贊學(xué)

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，湖北 武漢430058）

儀表板橫梁是儀表板總成重要組合部件，轉(zhuǎn)向管柱、方向盤總成和安全氣囊等重要環(huán)境件都安裝在橫梁上，因此橫梁在設(shè)計(jì)過程中需要考慮足夠的剛性和模態(tài)。文中在設(shè)計(jì)過程中采用CAE分析指導(dǎo)儀表板橫梁設(shè)計(jì)改善，在考慮重量和成本控制的前提下，分析改善橫梁的模態(tài)，探索提升橫梁一階固有頻率的可行方法。

1 儀表板橫梁模型

1.1 振動(dòng)性能要求

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)方向盤抖動(dòng)影響汽車駕駛舒適性，方向盤怠速抖動(dòng)通常是由于方向盤總成固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率重疊導(dǎo)致發(fā)生共振。大量工程實(shí)踐檢驗(yàn)得到方向盤與轉(zhuǎn)向管柱的一階固有頻率大于50 Hz［1］，當(dāng)轉(zhuǎn)向管柱和方向盤自身固有頻率難以繼續(xù)提高時(shí)，而轉(zhuǎn)向管柱和方向盤都安裝在儀表板橫梁上，因此提升儀表板橫梁的一階固有頻率是解決共振的一種途徑。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)：

式中：f為點(diǎn)火頻率，Hz；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；i為氣缸數(shù)；τ為沖程系數(shù)，四沖程為2，二沖程為1。

某車配置四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750±50 r·min-1，開啟空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為850±50 r·min-1，由此可知發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為700～900 r·min-1；怠速頻率為23.3～30 Hz。為了避免共振，頻率間隔3 Hz，因此儀表板橫梁與方向盤管柱總成的一階固有頻率需大于33 Hz，在考慮橫梁搭載儀表板和其他環(huán)境件后，儀表板橫梁總成的一階固有頻率大約下降5%，因此在設(shè)計(jì)儀表板橫梁時(shí)設(shè)定一階固有頻率大約為35 Hz。

1.2 橫梁CAE分析模型

儀表板橫梁為等直徑直管，充分考慮空調(diào)、轉(zhuǎn)向管柱、安全氣囊、風(fēng)道等相關(guān)環(huán)境件的安裝和間隙。橫梁總成搭載轉(zhuǎn)向管柱、方向盤總成、駕駛側(cè)安全氣囊、組合開關(guān)、點(diǎn)火鎖等環(huán)境件，共52 3046個(gè)網(wǎng)格單元。有限元分析過程中，截取白車身部分模型，對(duì)模型的邊緣處進(jìn)行全約束，使CAE分析盡量模擬實(shí)際裝車環(huán)境（圖1）。

圖1 儀表板橫梁CAE分析模型

2 儀表板橫梁CAE分析優(yōu)化

對(duì)儀表板橫梁和轉(zhuǎn)向管柱總成進(jìn)行第1 輪CAE模態(tài)分析，結(jié)果如圖2所示。第1輪CAE分析橫梁總成一階模態(tài)固有頻率為31.1 Hz，二階模態(tài)固有頻率為35.4 Hz，不滿足要求，需要繼續(xù)加強(qiáng)橫梁和車身對(duì)橫梁的固定支架。

圖2 第1輪CAE分析

圖3 第1輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)第1 輪數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)橫梁進(jìn)行優(yōu)化（圖3a），由于一階段模態(tài)是方向盤上下振動(dòng)，因此需要優(yōu)化橫梁垂直方向的剛性：加強(qiáng)橫梁自身垂直方向剛性；加強(qiáng)橫梁總成在垂直方向上固定結(jié)構(gòu)的剛性。具體措施如下：1）增加垂直支架和主梁料厚，由1.2 mm增加到1.5 mm；2）增加橫梁垂直方向上固定點(diǎn)的剛性，即在上部橫梁與白車身固定點(diǎn)處、白車身上增加1 個(gè)加強(qiáng)板用于加強(qiáng)固定點(diǎn)剛性；3）增加橫梁垂直支架下固定點(diǎn)，由1 個(gè)螺栓改為2個(gè)螺栓固定（圖3b）。

圖4 第2輪CAE分析

將優(yōu)化后橫梁數(shù)據(jù)進(jìn)行第2 輪CAE 分析（圖4）：橫梁與轉(zhuǎn)向柱方向盤總成一階模態(tài)固有頻率由31.1 Hz 提高到34 Hz，改善明顯，因此改善一階模態(tài)需要提升轉(zhuǎn)向柱上下振動(dòng)的支持剛性，改善橫梁垂直方向支架和增加與白車身固定點(diǎn)安裝剛性的改善方向是正確的，但還需要繼續(xù)優(yōu)化使得一階模態(tài)逼近35Hz；二階模態(tài)固有頻率為37.6Hz。

為了提升總成一階模態(tài)，需要繼續(xù)增強(qiáng)轉(zhuǎn)向管柱安裝結(jié)構(gòu)剛性，如圖5 所示，修改轉(zhuǎn)向管柱上固定支架加強(qiáng)板，料厚由1.2 mm 增加到1.5 mm，將管柱上部固定點(diǎn)下安裝支架的加強(qiáng)筋延長到下部U向支架處；同時(shí)增加轉(zhuǎn)向管柱下固定點(diǎn)U型支架料厚，由2.5mm增加到3.2mm。

圖5 第2輪橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 第3輪CAE分析橫梁一階模態(tài)

將第2輪優(yōu)化后的橫梁再次進(jìn)行CAE分析，橫梁一階模態(tài)固有頻率由34Hz提升到34.4Hz（圖6），逼近目標(biāo)值35 Hz?？紤]到繼續(xù)改善增加橫梁質(zhì)量但是模態(tài)提升值變化不大，因此確定橫梁總成模態(tài)固有頻率為34.4Hz，基本滿足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)汽車整車及總成模態(tài)試驗(yàn)方法，采用錘擊法對(duì)試制樣車進(jìn)行試驗(yàn)，方向盤轉(zhuǎn)向管柱和儀表板總成安裝在整車上，在方向盤12點(diǎn)位置分別進(jìn)行Z向和X向激勵(lì)試驗(yàn)見圖7 a～7 b，結(jié)果見圖7 c～7 d。Z向激勵(lì)試驗(yàn)中一階模態(tài)固有頻率為35.91 Hz、二階模態(tài)未激發(fā)出來，如圖7 d 所示。方向盤轉(zhuǎn)向管柱與儀表板橫梁總成系統(tǒng)頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果均高于目標(biāo)值35Hz，滿足要求。

圖7 方向盤12點(diǎn)位置激勵(lì)試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

文中首先分析方向盤和轉(zhuǎn)向管柱自身的模態(tài)，在保證方向盤自身模態(tài)滿足要求的情況下考慮加強(qiáng)橫梁總成和車身安裝結(jié)構(gòu)。通過CAE 分析，方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、儀表板橫梁和白車身安裝總成一階模態(tài)通常是上下振動(dòng)，因此改善橫梁垂直支架和垂直方向的固定點(diǎn)剛性是正確的優(yōu)化方向，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，文中橫梁的優(yōu)化方案滿足設(shè)計(jì)要求。