何水龍,韋 壹,葉明松,王 偉,劉夫云

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司 先行技術(shù)部,廣西 柳州 545005)

汽車(chē)保險(xiǎn)杠作為汽車(chē)保護(hù)性結(jié)構(gòu)與車(chē)架直接相連,直接影響汽車(chē)的安全性和舒適性.傳統(tǒng)研究主要集中在保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)及碰撞的安全性方面,在汽車(chē)NVH(Noise,Vibration,Harshness)舒適性方面的研究較少.金浩等[1]基于有限元軟件LS-DYNA實(shí)現(xiàn)了保險(xiǎn)杠碰撞多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);莫富灝等[2]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO對(duì)汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)碰撞進(jìn)行事故重建;張?chǎng)蔚萚3]通過(guò)有限元軟件HyperWorks和碰撞分析軟件PAM-CRASH完成了碰撞性能分析.由于汽車(chē)在行駛過(guò)程中，受到來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和路面的激勵(lì)振動(dòng),而這些外部激勵(lì)頻率與保險(xiǎn)杠固有頻率接近時(shí),將產(chǎn)生共振引起駕駛室抖動(dòng)劇烈,嚴(yán)重影響汽車(chē)的舒適性.

本文針對(duì)某型商用車(chē)前保險(xiǎn)杠出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)問(wèn)題,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和CAE仿真相結(jié)合的方法,找出引起前保險(xiǎn)杠抖動(dòng)的根本原因是前保險(xiǎn)杠的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率發(fā)生耦合而產(chǎn)生共振.在上述試驗(yàn)和CAE仿真軟件分析的基礎(chǔ)上,提出了通過(guò)加強(qiáng)保險(xiǎn)杠整體剛度的優(yōu)化方案，并進(jìn)行方案驗(yàn)證.經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行.

1 前保險(xiǎn)杠怠速抖動(dòng)機(jī)理

確定激勵(lì)源和傳遞系統(tǒng)是解決汽車(chē)NVH問(wèn)題的第一步.首先從激勵(lì)源分析,通常多缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)可被視為由曲軸連接起來(lái)的多個(gè)單缸發(fā)動(dòng)機(jī).作用在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上的干擾力,可以簡(jiǎn)化為各單缸發(fā)動(dòng)機(jī)受到的干擾力組成的一組空間力系,如圖1所示.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體受力示意圖Fig.1 Force diagram of engine cylinder body

由圖1可見(jiàn),作用在直列式多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上的擾動(dòng)力與力矩是曲軸轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù),是引發(fā)車(chē)架振動(dòng)的激勵(lì)源,而前保險(xiǎn)杠模塊與車(chē)架一般是不設(shè)置減振裝置的剛性連接方式.本文中所研究的商用車(chē)為四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),曲柄夾角為180°,激振力主要是二階往復(fù)慣性力.

1.1 隔振分析

當(dāng)激振過(guò)大而懸架隔振不足時(shí),將導(dǎo)致響應(yīng)增大,從而引起前保險(xiǎn)杠抖動(dòng),影響整車(chē)NVH品質(zhì)[4].本文先從激勵(lì)源對(duì)問(wèn)題車(chē)輛進(jìn)行故障原因排查,發(fā)動(dòng)機(jī)總成通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置與車(chē)架相連接,如果懸置隔振率低起不到隔振作用時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)將引起前保險(xiǎn)杠的抖動(dòng).隔振率為

(1)

式中:A1,A分別為響應(yīng)側(cè)和激勵(lì)側(cè)振動(dòng)幅值;a1和a分別為響應(yīng)側(cè)和激勵(lì)側(cè)振動(dòng)加速度幅值.

通過(guò)對(duì)問(wèn)題商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試，獲得懸置隔振率如圖2所示.

由圖2可見(jiàn),商用車(chē)懸架系統(tǒng)的隔振率都是85%以上,左前懸隔振率甚至將近90%,滿(mǎn)足隔振要求,因此，排除發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞引起前保險(xiǎn)杠抖動(dòng)的原因.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)懸架隔振率Fig.2 Isolation rate of engine suspension

1.2 振動(dòng)測(cè)試頻譜分析

進(jìn)一步對(duì)前保險(xiǎn)杠傳遞系統(tǒng)進(jìn)行分析.由于整車(chē)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞路徑多、機(jī)理相對(duì)復(fù)雜.因此,本文在建模過(guò)程中根據(jù)具體情況對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立一個(gè)前保險(xiǎn)杠振動(dòng)系統(tǒng)傳遞路徑模型,如圖3所示.

圖3 前保險(xiǎn)杠振動(dòng)-傳遞路徑-響應(yīng)模型Fig.3 Front bumper vibration-transfer path-response

對(duì)存在問(wèn)題進(jìn)行分析研究,采用簡(jiǎn)單原因排查問(wèn)題的原則[5],將發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速由700 r/min調(diào)整到750 r/min,用主觀(guān)評(píng)價(jià)方式確認(rèn)問(wèn)題.結(jié)果表明,抖動(dòng)有明顯的改善,拆除腳踏板與前保險(xiǎn)杠連接螺栓后抖動(dòng)正常.

為進(jìn)一步查明問(wèn)題原因,基于該模型采用電測(cè)法對(duì)問(wèn)題車(chē)輛進(jìn)行測(cè)試和分析.本實(shí)驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行,溫度條件為30 ℃,采用三向傳感器對(duì)前保險(xiǎn)杠、前大燈、一級(jí)腳踏板進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試,如圖4所示.

圖4 測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 Position of measuring point

由于頻響函數(shù)能有效反映系統(tǒng)傳遞特性,是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要工具,也是模態(tài)分析和參數(shù)識(shí)別的基礎(chǔ)[6].測(cè)試過(guò)程中,采用DASP系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理,并對(duì)振動(dòng)幅值最大踏板處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析,獲得振動(dòng)頻譜如圖5所示.

圖5 踏板振動(dòng)頻譜圖(優(yōu)化前)Fig.5 Vibration spectrum of footstep (before optimization)

由圖5可見(jiàn),頻譜中23.38 Hz處出現(xiàn)明顯峰值,y,z方向的振動(dòng)加速度分別為7.25,7.41 m/s2,振動(dòng)能量大.

怠速時(shí)振動(dòng)激勵(lì)源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī),而發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率為

(2)

式中:f為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率,Hz;n為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速,r/min;m為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù).

根據(jù)式(2)可以獲得本文商用車(chē)怠速轉(zhuǎn)速在700 r/min附近波動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火頻率范圍為23.34 Hz.而測(cè)試頻率23.38 Hz與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率相耦合.由此可知,保險(xiǎn)桿抖動(dòng)可能是由前保險(xiǎn)杠、大燈與一級(jí)踏板總成模塊固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率發(fā)生耦合而引起共振問(wèn)題.

2 建模分析

2.1 CAE模型建立

CAE是模態(tài)分析的重要手段,通過(guò)前保險(xiǎn)杠總成模塊CAE分析獲取其模態(tài)特性.首先采用三維建模軟件CATIA，建立前保險(xiǎn)杠總成模塊的實(shí)體模型;再通過(guò)有限元前后處理軟件HyperWorks，建立有限元分析模型.汽車(chē)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與計(jì)算問(wèn)題屬于線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.為簡(jiǎn)化分析,離散過(guò)程采用空間板殼單元[7].為增強(qiáng)普適性,采用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化措施:① 省略功能件和非承載件;② 忽略一些對(duì)截面特性影響不大的特征,如小孔、臺(tái)階等;③ 對(duì)各個(gè)構(gòu)件間的連接關(guān)系都采用MPC單元連接;④ 省略部分對(duì)振動(dòng)特性影響不大的圓角.局部細(xì)節(jié)處理后的有限元模型如圖6所示.完成建模后,對(duì)保險(xiǎn)杠做模態(tài)分析,結(jié)果如圖7所示.

由圖7結(jié)果可以看出,保險(xiǎn)桿存在24.3 Hz的固有頻率,與700 r/min工況下的點(diǎn)火頻率23.3 Hz相近,CAE仿真結(jié)果與上述實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了CAE模型的準(zhǔn)確性.因此,可以確定前保險(xiǎn)杠抖動(dòng)主要原因?yàn)榍氨ｋU(xiǎn)杠總成模塊固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率發(fā)生耦合而引起前保險(xiǎn)杠發(fā)生了局部共振.

圖6 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)CAE模型細(xì)節(jié)處理圖Fig.6 Bumper structure CAE model detail processing diagram

圖7 原狀態(tài)車(chē)的模態(tài)分析圖Fig.7 Modal analysis of the original state vehicle

2.2 理論建模分析

將保險(xiǎn)杠離散化為有限個(gè)質(zhì)量、彈性和阻尼元件組成的n個(gè)自由度的線(xiàn)性振動(dòng)系統(tǒng),其運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(3)

式中:[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;{δ},{δ′},{δ″}分別為各離散質(zhì)量位移、速度、加速度向量;{P}為結(jié)構(gòu)載荷列陣.

保險(xiǎn)杠模態(tài)是保險(xiǎn)桿的固有特性,與外部條件無(wú)關(guān)，同時(shí),考慮到阻尼對(duì)振型和固有頻率影響較小,將振動(dòng)方程進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:

(4)

設(shè)解為{δ}={φ}eiωδ,從而可得到特征方程為

(5)

從特征方程可知,提升系統(tǒng)固有頻率最直接有效的方式是減小系統(tǒng)質(zhì)量或提升系統(tǒng)剛度.

3 優(yōu)化方案與效果

3.1 優(yōu)化方案

目前,該商用車(chē)保險(xiǎn)桿已經(jīng)做過(guò)輕量化處理,提升空間有限,主要尋求通過(guò)改變保險(xiǎn)杠剛度的途徑加以解決.傳統(tǒng)措施有:① 改變前保險(xiǎn)杠所選用的材料,采用密度小,楊氏模量相對(duì)較高的材料;② 調(diào)整鈑金的幾何形狀,使保險(xiǎn)杠的剛度在一定范圍內(nèi)加強(qiáng),如加強(qiáng)筋;③ 提高結(jié)構(gòu)件的剛度,使整體結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng).

基于經(jīng)濟(jì)性和可行性?xún)煞矫婵紤],本文采用的優(yōu)化方案是:通過(guò)提高結(jié)構(gòu)件的剛度,使前保險(xiǎn)杠、大燈與一級(jí)腳踏板總成模塊的模態(tài)頻率提升,從而避開(kāi)激振頻率.具體措施是在保險(xiǎn)杠與車(chē)架連接處增加支架、支撐桿.該方案可靠性高、可行性好、效率高且經(jīng)濟(jì)性好.方案實(shí)施詳細(xì)情況如圖8所示.

圖8 優(yōu)化方案示意圖Fig.8 Optimization scheme schematic

3.2 前保險(xiǎn)杠優(yōu)化后固有頻率

經(jīng)過(guò)加強(qiáng)前保險(xiǎn)杠整體剛度后,再次利用有限元軟件對(duì)前保險(xiǎn)杠總成模塊進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果如圖9所示.

圖9 優(yōu)化前、后的模態(tài)分析對(duì)比圖Fig.9 Modal analysis contrast diagram before and after optimization

對(duì)比圖9和圖7,優(yōu)化前、后的模態(tài)分析對(duì)比可知,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后保險(xiǎn)杠總成模塊的固有頻率由原來(lái)的24.3 Hz提高到了30.3 Hz,加大了與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率之間的間隔,避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率,理論上能有效解決共振引起的問(wèn)題.

3.3 優(yōu)化后的實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證效果,按照優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)車(chē)整改,在保險(xiǎn)杠與車(chē)架連接處增加支架、支撐桿,并對(duì)整改后的商用車(chē)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,同樣對(duì)踏板處的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,結(jié)果如圖10所示.

圖10 踏板振動(dòng)頻譜圖(優(yōu)化后)Fig.10 Vibration spectrum of footstep (after optimization)

由圖10可見(jiàn),優(yōu)化后的踏板x,y,z方向23.38 Hz 處的幅值分別為0.50,0.38和0.78 m/s2,即經(jīng)過(guò)對(duì)前保險(xiǎn)杠總成模塊的剛度進(jìn)行加強(qiáng),腳踏板各個(gè)方向振動(dòng)都明顯降低,同一頻率幅值最高降低了7.14 m/s2,前保險(xiǎn)杠總成模塊的抖動(dòng)故障消失,整改思路正確、方案有效.

4 結(jié)論

本文基于振動(dòng)測(cè)試與CAE分析相結(jié)合,對(duì)某商用車(chē)怠速工況下前保險(xiǎn)杠抖動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析,得出商用車(chē)前保險(xiǎn)杠振動(dòng)問(wèn)題的分析方法,并提出了多個(gè)改進(jìn)方案和優(yōu)化措施,通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試，有效解決了保險(xiǎn)桿的怠速抖動(dòng)問(wèn)題,該方法同樣可以應(yīng)用于新車(chē)型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中.上述研究可以得到以下結(jié)論:運(yùn)用CAE仿真分析軟件可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出模塊的模態(tài)頻率和振型,并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的確定提供方向，為優(yōu)化后驗(yàn)證提供平臺(tái);解決商用車(chē)前保險(xiǎn)杠共振問(wèn)題的有效方法是提高或降低其固有頻率,避開(kāi)激振頻率，從而達(dá)到控制振動(dòng)的目的,該方法具有普適性,適用于其他共振問(wèn)題.