連 昊，黃德佳

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

副車架是汽車底盤的中重要零部件之一，是支承車橋、懸掛的骨架，使車橋和懸掛通過其與車架相連。發(fā)動機是向車身傳遞振動的主要來源，其通過懸置固定在副車架上，副車架便承擔了一定的隔振作用，可以在一定的程度上阻隔發(fā)動機工作帶來的振動和噪聲，減少其直接進入車廂，帶來良好的舒適性，提高整車NVH性能。而其中決定副車架對發(fā)動機隔振效果的主要因數(shù)之一就是發(fā)動機懸置安裝點的動剛度（動剛度，是表示結(jié)構(gòu)在動載荷作用下抵抗變形的能力）[1]。因此，在副車架產(chǎn)品設(shè)計前期就對發(fā)動機懸置安裝點進行動剛度分析具有重要意義。

1 副車架懸置點動剛度分析

將副車架數(shù)模進行適當簡化后抽取中面，將中面數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh中進行有限元模型創(chuàng)建。由于該副車架組成零件均為薄板件，故采用Shell殼單元模擬，單元大小3 mm，焊縫連接采用四邊形殼單元模擬，副車架安裝點處采用rbe2單元進行處理，最后得到副車架的有限元模型，如圖1所示。

圖1 副車架有限元模型

該副車架4個車身安裝點是通過螺栓固連于車身，與車身屬于剛性連接，但考慮到車身不是剛度無限大的結(jié)構(gòu)，而且車身的剛度在整車約束狀態(tài)下對副車架的模態(tài)與懸置點的動剛度有一定的影響，如果直接約束所有自由度，會導(dǎo)致計算結(jié)果與實際出現(xiàn)較大的偏差。因此，在沒有車身數(shù)模的情況下，將車身與副車架連接點的剛度納入到有限元模型之中，用CBUSH單元進行模擬，并賦予CBUSH單元車身上副車架4個安裝點的剛度值，如表1所示。

表1 車身上副車架安裝點剛度值

副車架上安裝有左右擺臂，在進行發(fā)動機懸置安裝點動剛度分析時，考慮到下擺臂對副車架有一定的約束作用，故將下擺臂簡化結(jié)構(gòu)放入副車架中進行分析。擺臂與副車架連接處的襯套用CBUSH單元進行模擬，并賦予CBUSH單元前后襯套的剛度值，如表2所示。擺臂另一端與轉(zhuǎn)向節(jié)球銷相連，所以此處施加鉸鏈約束，約束三個方向的平動自由度，釋放三個方向的轉(zhuǎn)動自由度。同時轉(zhuǎn)向器對副車架剛度影響較大，故加入簡化梁進行模擬。

表2 擺臂與副車架連接襯套剛度值

在進行發(fā)動機懸置安裝點動剛度分析設(shè)置后，采用Optistruct求解器對分析模型進行求解，計算得到副車架發(fā)動機懸置安裝點分別在X方向、Y方向、Z方向的動剛度，如表3所示。從仿真結(jié)果中可以看出：X方向與Y方向的動剛度遠大于目標值。在50 ～400 Hz之內(nèi)，該懸置安裝點在Z方向的最小動剛度為3 913 N/mm，發(fā)生在頻率為200 Hz的位置處（即178～224 Hz頻率段），該段頻率的動剛度小于目標值4 000 N/mm，此段頻率動剛度值偏低可能會引起發(fā)動機振動異響。因此，下面將運用約束模態(tài)分析研究影響副車架在178～224 Hz頻率段Z向動剛度的主要階數(shù)模態(tài)，然后通過主要階數(shù)模態(tài)的應(yīng)變能分布分析出副車架Z向動剛度提升的思路。

表3 發(fā)動機懸置安裝點動剛度分析結(jié)果

2 副車架約束模態(tài)分析

副車架約束模態(tài)分析的有限元模型的約束邊界與上面一樣，重新進行模態(tài)分析設(shè)置，求解前5階模態(tài)，并提取發(fā)動機懸置安裝點的Z向位移絕對值，結(jié)果如表4所示。

表4 副車架約束模態(tài)分析結(jié)果

在178～224 Hz頻率段副車架的模態(tài)包括1階模態(tài)182.9 Hz和2階模態(tài)209.2 Hz，其模態(tài)變形位移圖如圖2、圖3所示。其中，182.9 Hz的Z向動剛度偏低可能會引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速在5500r/min左右時發(fā)生振動異響，209.2 Hz的Z向動剛度偏低可能會受到發(fā)動機的二階激勵產(chǎn)生共振后傳遞至車內(nèi)引起噪聲過大。Eigen Mode（Z）Analysis system 1.138E+00 1.012E+00 8.852E+00 7.588E+00 6.323E+00 5.058E+00 3.794E+00 2.529E+00 1.265E-01 0.000E-01

圖2 副車架1階模態(tài)變形圖

圖3 副車架2階模態(tài)變形圖

■No result

Iso>0.000E+00 Max=1.138E+00 Grids 29852

Min=0.000E-01 Grids 133348

在1階模態(tài)和2階模態(tài)中，2階模態(tài)副車架發(fā)動機懸置安裝點的Z向位移更大，對178～224 Hz頻率段副車架的Z向動剛度值影響也更大。由于副車架約束模態(tài)與動剛度有很大的相關(guān)性，所以可以發(fā)現(xiàn)對副車架發(fā)動機懸置安裝點Z向動剛度影響最大的就是繞X軸1階彎曲模態(tài)，如何提升副車架在該階模態(tài)下發(fā)動機懸置安裝點Z向位移絕對值是提升副車架在該處Z向動剛度的關(guān)鍵，即提升副車架在該階模態(tài)下的抗彎剛性。

所以，下面對副車架在第2 階模態(tài)（ 209.2 Hz）進行模態(tài)應(yīng)變能分析，如圖4所示。通過模態(tài)應(yīng)變能分布可以找到副車架變形的主要傳遞路徑：副車架左右前安裝點通過彎管到達上下片連接處，然后一分為二，一邊通過縱加強板到達轉(zhuǎn)向器安裝點，然后傳到上下片轉(zhuǎn)彎處，另一邊直接到達上下片轉(zhuǎn)彎處，然后由上下片轉(zhuǎn)彎處匯到副車架邊緣中部；副車架左右后安裝點直接沿上下片后部邊緣匯到副車架邊緣中部[2-3]。

圖4 副車架2階模態(tài)應(yīng)變能圖

3 優(yōu)化設(shè)計與模態(tài)對比分析

下面根據(jù)副車架2階模態(tài)變形主要傳遞路徑和副車架實際的結(jié)構(gòu)情況，在合適的位置進行加強，從而提高副車架發(fā)動機懸置安裝點的Z向動剛度：①副車架上下片上下邊緣是抵抗變形的重要路徑，但發(fā)動機懸置安裝點與其沒有充分的連接起來，故在懸置安裝點處增加一個懸置加強板；②副車架上下片中間部位抵抗變形的能力沒有被調(diào)動起來，而轉(zhuǎn)向器安裝套筒是一個抵抗變形的重要位置，故在轉(zhuǎn)向器按照套筒與懸置加強板之間增加一個加強板；③轉(zhuǎn)向器安裝套筒到縱加強板間對抵抗變形貢獻較大，此處可以增加一個內(nèi)部加強板，進一步提升剛度[4]。優(yōu)化的關(guān)鍵點為：轉(zhuǎn)向器安裝套筒和副車架上下片前后邊緣是抵抗變形重要部位，需加強發(fā)動機懸置安裝點與它們的連接，同時轉(zhuǎn)向器安裝套筒到縱加強板之間也是抵抗重要路徑，需二次加強，具體的優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 副車架優(yōu)化方案

將優(yōu)化數(shù)模進行約束模態(tài)分析，分析得到1階與2階模態(tài)的變形圖，如圖6、圖7所示，并得到優(yōu)化前后模態(tài)分析對比結(jié)果，如表5所示，優(yōu)化后1階、2階模態(tài)頻率基本沒有變化，但是懸置點Z向變形都有所減小，2階模態(tài)下懸置點Z向變形由9.45 mm減小為9.16 mm，1階模態(tài)下懸置點Z向變形由5.82 mm減小為3.82 mm，故懸置點處的動剛度在178～224 Hz頻率段必定有所提升，下面進行優(yōu)化后副車架發(fā)動機懸置安裝點的動剛度校核，以驗證優(yōu)化設(shè)計的效果。Eigen Mode（Z）Analysis system

表5 優(yōu)化前后模態(tài)分析對比結(jié)果

圖6 優(yōu)化后副車架1階模態(tài)變形圖

圖7 優(yōu)化后副車架2階模態(tài)變形圖

5.44E-01-3.354E-01-1.215E+00-2.095E+00-2.975E+00-3.855E+00-4.734E+00-5.614E+00-6.494E+00-7.374E+00

■No result

Max=5.444E-01 Grids 48903

Min=-7.374E+00 Grids 95093 Eigen Mode（Z）Analysis system 1.036E+01 9.211E+00 8.060E+00 6.908E+00 5.757E+00 4.605E+00 3.454E+00 2.303E+00 1.151E+01 0.000E+01

■No result

Max=1.036E+01 Grids 29872

Min=0.000E+00 Grids 133348

4 優(yōu)化后動剛度校核

對優(yōu)化方案進行發(fā)動機懸置安裝點動剛度分析，計算得到副車架發(fā)動機懸置安裝點分別在X方向、Y方向、Z方向的動剛度，如表6所示，從中可以看出發(fā)動機懸置安裝點在200 Hz（178～224 Hz頻率段）的Z向動剛度從3 913 N/mm提升到了4 450 N/mm，滿足了要求。同時發(fā)動機懸置安裝點在50～400 Hz的Z向動剛度相比優(yōu)化前綜合提升了63%，可以顯著提升整車的NVH性能。

表6 優(yōu)化后發(fā)動機懸置安裝點動剛度分析結(jié)果

5 總結(jié)

副車架發(fā)動機懸置安裝點動剛度對發(fā)動機隔振與噪音有很大的影響，現(xiàn)通過CAE仿真技術(shù)分析得出副車架發(fā)動機懸置安裝點在200 Hz的位置處（即178～224 Hz頻率段）Z向動剛度較低，需要進行優(yōu)化。因為約束模態(tài)與動剛度有很大的相關(guān)性，其中對副車架發(fā)動機懸置安裝點Z向動剛度影響最大的就是繞X軸1階彎曲模態(tài)，如何提升副車架在該階模態(tài)下發(fā)動機懸置安裝點Z向位移絕對值是提升副車架在該處Z向動剛度的關(guān)鍵，即提升副車架在該階模態(tài)下的抗彎剛性。通過模態(tài)應(yīng)變能分布可以找到副車架變形的主要傳遞路徑，在合適的位置進行有針對性加強，從而提高副車架發(fā)動機懸置安裝點的Z向動剛度，可以做到有針對性的加強，在充分提升動剛度的同時做到輕量化。