陳 沖，種 暉，張 靖

（陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710200）

1 當(dāng)前擋泥板支架存在的問(wèn)題

在汽車(chē)的性能指標(biāo)中，用戶對(duì)NVH性能的敏感度最高，其優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。附件系統(tǒng)的NVH主要是指擋泥板支架總成的模態(tài)頻率，擋泥板支架的剛度不足會(huì)引起在怠速頻率下，擋泥皮和擋泥板的整體振動(dòng)，并伴隨著振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，一般會(huì)引起客戶抱怨等負(fù)面影響。擋泥板總成在整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下發(fā)生抖動(dòng)并且產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲，主要原因可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率與擋泥板支架的怠速頻率相吻合[1]，從而產(chǎn)生共振導(dǎo)致的。因此，對(duì)當(dāng)前擋泥板支架進(jìn)行CAE仿真計(jì)算分析，從模態(tài)仿真和試驗(yàn)兩方面驗(yàn)證是否發(fā)生共振，進(jìn)而優(yōu)化擋泥板結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生共振。

1.1 擋泥板支架總成的有限元仿真分析

采用Hypermesh有限元仿真軟件，按照擋泥板總成實(shí)際裝車(chē)狀態(tài)建立其三維仿真模型，對(duì)具有完整的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的支架總成，采用四面體單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格；車(chē)架總成等規(guī)則實(shí)體建立采用抽中面劃分單層網(wǎng)格的方式建立其有限元模型；對(duì)于擋泥皮等不具有實(shí)體結(jié)構(gòu)的模型，通過(guò)Hypermesh軟件的RBE3單元配重，相當(dāng)于達(dá)到實(shí)際的質(zhì)量。有限元模型共568 031個(gè)單元總數(shù)，共有428 813個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立的有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 擋泥板總成的有限元仿真模型

1.2 模態(tài)頻率仿真分析

對(duì)搭建完成的擋泥板支架總成按照實(shí)際裝車(chē)狀態(tài)進(jìn)行約束，賦予擋泥板支架和車(chē)架材料屬性，如表1所示。

表1 擋泥板支架材料參數(shù)

擋泥板支架底座安裝孔和車(chē)架縱梁采用RBE2單元建立螺栓約束，約束車(chē)架縱梁截面的全部自由度，計(jì)算其前6階模態(tài)，擋泥板支架第五階模態(tài)頻率如圖2所示。通過(guò)CAE軟件仿真分析計(jì)算結(jié)果表明：擋泥板支架的第五階模態(tài)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率較為接近，在怠速情況下發(fā)生共振的可能性較大，其前六階振型和頻率如圖2所示。

圖2 擋泥板支架的前六階振動(dòng)頻率和模態(tài)分布

擋泥板支架總成的低頻共振問(wèn)題主要是車(chē)輛在怠速時(shí)支架總成的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率發(fā)生耦合導(dǎo)致。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的激勵(lì)主要是往復(fù)慣性力，怠速頻率主要與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和氣缸數(shù)相關(guān)[2]。某重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為六缸，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速700～1 000 r/min，可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率：

式中，fd為怠速頻率；nd為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速；G為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)。

理論計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率與擋泥板支架的第五、六階固有頻率相接近，擋泥板支架總成發(fā)生共振，一般要求發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率避開(kāi)30±2 Hz即可，為驗(yàn)證當(dāng)前結(jié)論的可靠性對(duì)支架總成進(jìn)行頻響試驗(yàn)。

2 優(yōu)化方案

依據(jù)模態(tài)仿真和頻響試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：擋泥板支架總成的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率相吻合，因此需要對(duì)支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)多次仿真分析，采用新型結(jié)構(gòu)的擋泥板支架總成。

2.1 優(yōu)化擋泥板支架的模態(tài)頻率仿真分析

通過(guò)對(duì)擋泥板支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的擋泥板支架總成進(jìn)行模態(tài)頻率仿真，第五階段模態(tài)仿真結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化之后的擋泥板支架前五階振動(dòng)頻率比之前均有提高，振動(dòng)模態(tài)明顯優(yōu)于之前狀態(tài)，優(yōu)化之后的擋泥板支架前六階振型和頻率如圖3所示。

圖3 優(yōu)化之后的擋泥板支架前六階振動(dòng)頻率和模態(tài)分布

對(duì)優(yōu)化后的擋泥板支架總成模態(tài)頻率仿真分析發(fā)現(xiàn)，前六階振動(dòng)頻率不存在30 Hz附近的振動(dòng)頻率，可以避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率。為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的合理性，將試制樣件裝車(chē)后測(cè)試關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度進(jìn)行前后對(duì)比。

2.2 擋泥板支架總成優(yōu)化前后的振動(dòng)加速度比較

對(duì)優(yōu)化后的擋泥板支架總成按裝車(chē)狀態(tài)測(cè)試其三向振動(dòng)加速度，計(jì)算其加速度均方根值，同時(shí)結(jié)合主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化方案的合理性。

計(jì)算結(jié)果表明：優(yōu)化之后的前、中、后擋泥板支架三向振動(dòng)加速值比原來(lái)分別提高了8.2%、5%和9.5%。優(yōu)化之后的擋泥板支架主觀評(píng)價(jià)明顯優(yōu)于優(yōu)化之前的方案，證明了該方案的有效性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)擋泥板支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，綜合仿真分析、試驗(yàn)測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，擋泥板支架的前六階振動(dòng)頻率和模態(tài)振型可以避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率，解決了該車(chē)型擋泥板支架在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下的抖動(dòng)問(wèn)題，提升了整車(chē)的NVH性能。