付似愚

(江鈴汽車(chē)股份有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

隨著生活水平的提高，汽車(chē)消費(fèi)者對(duì)NVH性能的要求越來(lái)越高，異響問(wèn)題嚴(yán)重影響車(chē)內(nèi)乘員的舒適性，進(jìn)一步導(dǎo)致車(chē)輛的競(jìng)爭(zhēng)力下降。電器支架剛度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致支架頻率偏低，從而易與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率耦合，產(chǎn)生共振導(dǎo)致車(chē)內(nèi)異響問(wèn)題出現(xiàn)。因此，對(duì)怠速工況下電器支架研究具有重要工程意義[1]。

劉紅等[2]在車(chē)燈支架的研究分析過(guò)程中，通過(guò)模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)車(chē)燈支架薄弱區(qū)域，在同時(shí)保證車(chē)燈功能和支架工藝前提下，提出了支架最優(yōu)方案。李嘉通等[3]針對(duì)怠速下因空調(diào)壓縮機(jī)導(dǎo)致的車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題，通過(guò)模態(tài)測(cè)試和模態(tài)仿真確認(rèn)壓縮機(jī)支架總成模態(tài)偏低導(dǎo)致的車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題，最后通過(guò)有限元方法對(duì)支架剛度進(jìn)行提升，進(jìn)而提升了支架模態(tài)避免共振，改善了車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題。涂晴等[4]針對(duì)怠速下方向盤(pán)振動(dòng)偏大、影響駕駛員的舒適性問(wèn)題，通過(guò)模態(tài)、傳遞路徑測(cè)試確定了由于傳遞路徑過(guò)大導(dǎo)致振動(dòng)偏大，最后通過(guò)有限元方法尋找到最優(yōu)的工程方案，實(shí)車(chē)主觀駕評(píng)可接受，實(shí)車(chē)效果較好。侯宇等[5]通過(guò)optistruct軟件對(duì)懸置支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在保證模態(tài)等NVH性能前提下得到最優(yōu)的懸置支架方案，并實(shí)現(xiàn)了支架結(jié)構(gòu)的輕量化。

本文針對(duì)某車(chē)型怠速工況下車(chē)內(nèi)異響過(guò)大問(wèn)題，經(jīng)過(guò)診斷排查發(fā)現(xiàn)是車(chē)身控制模塊支架總成振動(dòng)偏大造成異響問(wèn)題。對(duì)車(chē)身控制模塊支架總成進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和模態(tài)仿真分析，最終發(fā)現(xiàn)由于車(chē)身控制模塊支架總成一階頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階頻率接近而發(fā)生共振導(dǎo)致異響。通過(guò)有限元方法找出支架薄弱位置，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)提升支架剛度，從而提高支架總成一階頻率，避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階頻率。最后實(shí)車(chē)上主觀駕評(píng)未出現(xiàn)異響，驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 模態(tài)理論

模態(tài)屬性是結(jié)構(gòu)本身的固有特性，與外界載荷無(wú)關(guān)?；诮Y(jié)構(gòu)的模態(tài)特性仿真能夠獲取其固有頻率及振型，從而得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性并且以此進(jìn)行性能評(píng)估，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程[6]為：

(1)

([K]-ω2[M]){X}=0

(2)

式中：A為幅值；t為時(shí)間；φ為相位；ω是結(jié)構(gòu)的特征值。ω對(duì)應(yīng)的特征方程為：

det([K]-ω2[M])=0

(3)

由此獲取結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)頻率及其模態(tài)振型。

2 車(chē)身控制模塊支架總成模態(tài)分析

問(wèn)題車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階頻率計(jì)算公式如下：

(4)

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；r為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)。

該車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min，可計(jì)算得到二階激勵(lì)頻率為26.7 Hz。

利用Test.Lab測(cè)試軟件對(duì)支架總成進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示支架總成一階頻率為27.20 Hz。

2.1 建立有限元模型

車(chē)身控制模塊支架總成包括車(chē)身控制模塊本體、支架、螺栓等結(jié)構(gòu)，車(chē)身控制模塊通過(guò)3個(gè)螺栓安裝在支架上，支架焊接在轉(zhuǎn)向管梁上。有限元前處理采用HyperWorks軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，支架采用殼單元，單元大小為6 mm。車(chē)身控制模塊本體通過(guò)劃分殼體本身再生成四面體單元，對(duì)其校核質(zhì)量質(zhì)心以保證與實(shí)物近似。構(gòu)建完成的車(chē)身控制模塊設(shè)計(jì)狀態(tài)支架總成模型如圖1所示。支架材料為鋼，車(chē)身控制模塊殼體材料為PA66，車(chē)身控制模塊總質(zhì)量2.9 kg。

圖1 支架總成模型

支架是直接燒焊在管梁上的，為保證模態(tài)仿真分析結(jié)果與實(shí)車(chē)接近，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模，最后完成計(jì)算模型，約束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管梁與車(chē)身連接點(diǎn)6個(gè)方向的自由，如圖2所示。

圖2 參與計(jì)算模型

2.2 有限元模態(tài)計(jì)算

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行模態(tài)工況設(shè)置(見(jiàn)圖3)，模態(tài)分析結(jié)果顯示支架一階固有頻率為27.59 Hz，并與測(cè)試值對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 設(shè)計(jì)支架仿真分析結(jié)果

表1 CAE計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)比

有限元建模過(guò)程中由于工程計(jì)算需要，會(huì)對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果會(huì)存在一定偏差，在誤差合理范圍之內(nèi)都認(rèn)為模型是準(zhǔn)確可靠的。本文的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果誤差較小，模型準(zhǔn)確性較高，基礎(chǔ)模型可用于后續(xù)的支架模態(tài)提升。

綜合模態(tài)測(cè)試與模態(tài)仿真分析結(jié)果可知，車(chē)身控制模塊異響是由于支架頻率與怠速二階頻率耦合產(chǎn)生共振，造成支架振動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)出現(xiàn)異響問(wèn)題。

3 車(chē)身控制模塊支架模態(tài)提升

為避免支架與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階激勵(lì)頻率發(fā)生共振，需將支架頻率避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率。提升模態(tài)有兩方面：減小車(chē)身控制模塊支架總成質(zhì)量；提升支架剛度。車(chē)身控制模塊已選定，無(wú)法減小質(zhì)量，只能提升支架剛度達(dá)到提升支架模態(tài)目的。模態(tài)應(yīng)變能結(jié)果中顏色較深表示剛度較弱(見(jiàn)圖4)，往往是需要提升的部位。設(shè)計(jì)支架應(yīng)變能結(jié)果顯示根部較弱導(dǎo)致支架剛度偏低，因此，支架剛度提高，支架模態(tài)也會(huì)提升。

圖4 設(shè)計(jì)支架應(yīng)變能結(jié)果

支架工程師依據(jù)CAE方案同時(shí)綜合考慮布置、制造工藝以及重量屬性等要求，重新對(duì)支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。與管梁燒焊面積盡量增大、根部翻邊加大以提升支架剛度，新設(shè)計(jì)的車(chē)身控制模塊支架如圖5所示。設(shè)計(jì)支架質(zhì)量為0.22 kg，優(yōu)化后的支架0.29 kg，質(zhì)量增加在可接受范圍之內(nèi)。

圖5 車(chē)身控制模塊支架

對(duì)優(yōu)化后的新支架重新進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行模態(tài)仿真分析(見(jiàn)圖6)，優(yōu)化后的支架總成一階頻率為48.8 Hz，與設(shè)計(jì)支架相比，支架一階頻率提升比例達(dá)到78%，避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)二階怠速激勵(lì)頻率。

圖6 優(yōu)化后支架的總成模態(tài)

對(duì)優(yōu)化后的支架制作樣件，將樣件裝于實(shí)車(chē)，實(shí)車(chē)進(jìn)行怠速工況下的主觀駕評(píng)，實(shí)車(chē)車(chē)內(nèi)異響消失，車(chē)身控制模塊支架異響問(wèn)題得到有效解決。

4 結(jié)語(yǔ)

怠速工況下車(chē)內(nèi)產(chǎn)生異響問(wèn)題，嚴(yán)重影響車(chē)內(nèi)舒適性，通過(guò)診斷排查確定異響是由于車(chē)身控制模塊支架導(dǎo)致的。通過(guò)模態(tài)測(cè)試得到支架總成一階頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階激勵(lì)頻率耦合，產(chǎn)生共振造成支架振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致車(chē)內(nèi)出現(xiàn)異響。通過(guò)有限元方法建立總成模型計(jì)算其模態(tài)，得到支架總成一階頻率，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，兩者誤差較小，建立的有限元模型可用于后續(xù)支架模態(tài)提升。在綜合考慮布置、制造工藝以及重量等要求下，支架工程師基于CAE方案并結(jié)合應(yīng)變能結(jié)果重新設(shè)計(jì)出新的車(chē)身控制模塊支架數(shù)據(jù)并進(jìn)行模態(tài)仿真分析，一階頻率達(dá)到48.8 Hz，避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階激勵(lì)頻率。主觀駕評(píng)車(chē)內(nèi)異響問(wèn)題未出現(xiàn)，從而得到有效解決。

通過(guò)有限元方法快速有效提出支架優(yōu)化方案，減少工程時(shí)間成本和人力資源，為其他支架模態(tài)提升提供思路參考，具有一定的實(shí)際工程意義。