基于某車型提升右懸置動剛度的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

吳志佳 楊金秀 鐘建強(qiáng) 呂奉陽

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

1 引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，消費者對轎車的要求越來越嚴(yán)格，轎車的NVH性能在消費者中也越來越受重視[1]。白車身關(guān)鍵點動剛度對車身的振動和疲勞破壞有重要的影響，如果該處動剛度不足會導(dǎo)致轎車發(fā)動機(jī)在某頻率加速產(chǎn)生轟鳴等現(xiàn)象，更是影響消費者的舒適性體驗[2]。眾所周知，導(dǎo)致汽車產(chǎn)生某頻段加速轟鳴現(xiàn)象的原因是振源通過車身傳遞路徑傳給接受者；而源頭為發(fā)動機(jī)加速噪音和路面激勵等不易控制，所以通過設(shè)計優(yōu)化傳遞路徑中的車身結(jié)構(gòu)是提高NVH性能的重要方法[3]。

本文對某款車型發(fā)動機(jī)在加速到某轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)轟鳴的現(xiàn)象進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)剛度不足使得右懸置安裝點動剛度不足，這導(dǎo)致了加速轟鳴的現(xiàn)象。因此基于CAE分析模擬計算了對標(biāo)的幾款車型的車身結(jié)構(gòu)，分別分析得到其懸置的等效動剛度，得到不同的車身結(jié)構(gòu)對懸置動剛度的影響大小。進(jìn)而對該款車型的發(fā)動機(jī)懸置附近的車身結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，多次分析得到最佳方案解決了發(fā)動機(jī)動剛度不足的問題，成功解決了加速轟鳴的現(xiàn)象，提升了NVH性能。

2 問題描述

本文的計算模型為某款車型整備車身，要分析的右懸置安裝點耦合點相關(guān)數(shù)模及裝配關(guān)系如圖1所示。發(fā)動機(jī)懸置有一個點連接在上懸置支架上，兩個點連接在下懸置支架上。其中上懸置支架焊接在前輪罩上，下懸置支架與前輪罩和縱梁焊接。

圖1 汽車車身系統(tǒng)CAN總線結(jié)構(gòu)圖

建模后在Hypermesh軟件里進(jìn)行前處理，分別施加激勵在X、Y、Z三個方向上進(jìn)行分析，得出結(jié)果如表1所示，發(fā)現(xiàn)其在相應(yīng)頻率里Y向動剛度沒有達(dá)到目標(biāo)要求的10000N/mm。對車身模態(tài)計算發(fā)現(xiàn)在右懸置安裝區(qū)域有較大的應(yīng)變變形，初步判斷該處車身結(jié)構(gòu)剛度不足或剛度連接不足導(dǎo)致懸置動剛度不足的結(jié)果，尤其是Y向剛度的連接。

3 對標(biāo)車型分析

3.1 對標(biāo)車型動剛度計算及分析

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)懸置動剛度不足的原因是該區(qū)域車身結(jié)構(gòu)剛度不足，那么本節(jié)將對標(biāo)幾款已有車型，分別對其懸置動剛度進(jìn)行分析計算。本文選取A、B、C三款車型進(jìn)行數(shù)模建立，分別施加激勵在X、Y、Z三個方向上進(jìn)行分析，得到對標(biāo)車數(shù)據(jù)和本車型一起的Y向動剛度如圖2所示。由于C車型Y向動剛度未達(dá)到目標(biāo)值10000N/mm，本文將不對其做分析，下面將對A、C兩款車型進(jìn)行該區(qū)域車身結(jié)構(gòu)分析。

對A、C兩款車型右懸置區(qū)域的車身結(jié)構(gòu)分析，分析發(fā)現(xiàn)這兩款車型有不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢來滿足Y向動剛度的要求。如圖3所示，A車型右懸置車身結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢：（1）輪罩前段設(shè)計Y向橫向支撐支架1，可很好的提高Y向動剛度。（2）輪罩厚度1.5mm，通過增加輪罩厚度來支撐懸置安裝點

如圖4所示，B車型右懸置車身結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢：（1）輪罩前端延伸尺寸大，輪罩前端延伸已到縱梁前端，大大增大了Y向接觸面積；（2）輪罩前段設(shè)計Y向橫向支撐支架6，且厚度為2.0mm；

表1 右懸置等效動剛度數(shù)據(jù)

圖2 不同車型的Y向動剛度

圖3 A車型右懸置車身結(jié)構(gòu)圖

圖4 C車型右懸置車身結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，通過對標(biāo)車型右懸置區(qū)域車身結(jié)構(gòu)分析，本文從以下三方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來提高該車型的懸置動剛度。

（1）輪罩前段增加Y向支撐.

（2）延長輪罩前部的尺寸。

（3）增加輪罩前段厚度。

4 某款車型的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上節(jié)所得，本節(jié)進(jìn)行該車型的懸置安裝點區(qū)域的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

步驟一：利用延長輪罩前部的尺寸方法設(shè)計新的車身結(jié)構(gòu)。如圖6所示，在右前輪罩前段增加一個新增件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)厚度1.8mm。用新的車身結(jié)構(gòu)重新加載激勵進(jìn)行CAE分析，其等效動剛度為8011N/mm，還未滿足要求，需要再設(shè)計。

步驟二：利用增加Y向支撐的方法設(shè)計新的結(jié)構(gòu)，與輪罩Y向連接的車身結(jié)構(gòu)有上邊梁，因此，在步驟一中車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上把上邊梁的厚度從原來的0.8mm提高到1.2mm，如圖7所示；分析得到等效動剛度為9159N/mm，還是無法滿足要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

步驟三：之前的方法均有明顯的效果提升，本文利用輪罩分件的方法進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)再設(shè)計，首先把原來的輪罩從懸置安裝支架處分割成兩部分，分割后的輪罩后段保持1.2mm厚度不變，分割后的輪罩前段由原來的1.2mm增加到1.8mm。并且把輪罩前段與步驟一中新增的支架結(jié)合并優(yōu)化設(shè)計為一個件，如圖8所示。分析得到等效動剛度為10130N/mm，滿足要求。

圖6 步驟一右懸置車身結(jié)構(gòu)圖

圖7 步驟二右懸置車身結(jié)構(gòu)圖

圖8 步驟三右懸置車身結(jié)構(gòu)圖

圖9 三次優(yōu)化的IPI曲線圖

分別得到0-200Hz內(nèi)的原始方案和三次優(yōu)化的IPI曲線如圖9所示。從圖中可以看出經(jīng)過優(yōu)化后右懸置動剛度得到了明顯的改善。優(yōu)化后車身結(jié)構(gòu)滿足了等效動剛度要求，解決了轎車加速轟鳴的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

某款車型因車身結(jié)構(gòu)不足導(dǎo)致右懸置安裝點動剛度不足，進(jìn)而使的發(fā)動機(jī)在某一頻率加速時產(chǎn)生轟鳴現(xiàn)象。本文基于此現(xiàn)象對標(biāo)了幾款車身結(jié)構(gòu)性能較高的車型后，對某款車型的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過延長輪罩前部尺寸、增加上邊梁厚度和前輪罩分件后增加厚度這三種方法把Y向動剛度由原來的5475N/mm提高到了10130N/mm，滿足了要求，對后續(xù)該處車身結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。