客車NVH特性的車身地板優(yōu)化分析

吳紹偉

摘 要 客車在高速行駛的過程中車身地板的中后部震動(dòng)影響很大，容易影響客車的NVH特性，使NVH性能變差。本文主要運(yùn)用有限元軟件制定了某客車車身的地板結(jié)構(gòu)力學(xué)的有限元模型，分析了客車的車身地板的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，找出了車身地板振動(dòng)的原因，同時(shí)提出了車身地板優(yōu)化方案，并對優(yōu)化后的客車車身地板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明優(yōu)化后的車身地板振動(dòng)強(qiáng)度大量減弱，客車的NVH特性大大增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 客車；NVH特性；車身地板；優(yōu)化

中圖分類號 U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0147-02

隨著現(xiàn)代化生活質(zhì)量的提高，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步，人們越來越重視客車的NVH特性，客車的NVH性能不僅影響了乘坐人員的舒適性，同時(shí)還是體現(xiàn)汽車的綜合性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。在評價(jià)客車的整體性能時(shí)，客車在高速行駛的過程中由于外部作用力的振動(dòng)導(dǎo)致地板產(chǎn)生局部振動(dòng)，在長期振動(dòng)之后，會(huì)讓乘務(wù)員的腳底變得麻木，影響客車車板的使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪音污染，影響乘坐的舒適度，導(dǎo)致乘員身心疲憊，降低了汽車的NVH性能。因此如何避免客車的地板振動(dòng)，優(yōu)化客車的NVH特性是一個(gè)值得研究的話題。

1 客車NVH問題描述和原因分析

在客車的開發(fā)過程中，為了減少車內(nèi)的噪音污染，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、制作工藝等方面進(jìn)行降噪處理，例如：設(shè)計(jì)新型的隔熱降噪的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)；采用電控硅油風(fēng)扇，從而降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶來的噪音；在車身車體上涂抹耐石擊以及阻尼涂料；在車身結(jié)構(gòu)上運(yùn)用隔音降噪材料等方式。

但是這些降噪工藝運(yùn)用之后，仍然存在一系列噪音和振動(dòng)問題，例如：

1）客車在啟動(dòng)和停止的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)突然劇烈抖動(dòng)，停止時(shí)抖動(dòng)最厲害。通過分析得知其產(chǎn)生的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)型號和車型不匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和四缸機(jī)隔離振動(dòng)效果差。

2）車輛在靜止和行駛過程中加速存在問題，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音非常大。原因是：風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生噪音，硅油風(fēng)扇和離合器存在質(zhì)量問題。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)處于3 000轉(zhuǎn)以上時(shí)聲音存在異常情況，并產(chǎn)生低沉的嘯叫聲。原因是：增壓器部分存在問題，每個(gè)車型匹配都有，無法解決。進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)需要進(jìn)行密封檢查。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)在靜止加速和行駛加速時(shí)振動(dòng)幅度很大，1 400rpm時(shí)車身產(chǎn)生共鳴聲。原因：發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)，并和底盤、車身系統(tǒng)共同振動(dòng)。

通過對這些問題進(jìn)行分析，查找了一系列原因發(fā)現(xiàn)，很多汽車的NVH問題主要涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)、車身和底盤等汽車的主要部位，而且各個(gè)系統(tǒng)之間的NVH問題又可以相互影響，如果不能綜合解決NVH問題，只是進(jìn)行局部的解決方案，不能明顯消除汽車的NVH問題。

2 對車身地板結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元?jiǎng)恿W(xué)分析

2.1 建立車身地板有限元模型

為了確保車身地板的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析的正確性，將車身地板的CAD模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中建立有限元模型。對車身和車架中的681 238個(gè)單元點(diǎn)進(jìn)行建模，選用四邊形單元結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，把三角形的單元數(shù)量精密控制在5%以內(nèi)，綜合考慮車身各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接作用。通過建立模型分析地板后部振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用MSC. Nastran軟件中的Lanczos方法計(jì)算車身地板自由模態(tài)，對各階的振動(dòng)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

由表1的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以得知，階次3—6都是地板局部振動(dòng)，階次1和2地板向一邊振動(dòng)，階次7是地板整體垂向高階彎曲振動(dòng)，因此可以通過有限元模型對地板的振動(dòng)情況進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的分析。

2.2 車身地板振動(dòng)頻率分析

在車輛行駛的過程中，由于路面不平整會(huì)導(dǎo)致車身振動(dòng)，車身振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地板振動(dòng)，為了檢測車輛行駛中車身地板的頻響，可以運(yùn)用正弦曲線來分析車身地板的振動(dòng)負(fù)荷。由于地板擁有對稱的特點(diǎn)，所以可以選取地板的右側(cè)前負(fù)荷力作用點(diǎn)和后負(fù)荷力作用點(diǎn)制作正弦曲線，選取一部分?jǐn)?shù)據(jù)綜合分析車身地板的振動(dòng)頻率。

2.3 客車實(shí)際行駛中的振動(dòng)測試分析

通過對客車的實(shí)際行駛進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在客車第五排座椅附近的地板振動(dòng)強(qiáng)度比較劇烈，因此我們在該地板附近設(shè)置加速度傳感器進(jìn)行測試，采集該處地板劇烈振動(dòng)的頻率信號。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，必須保證客車勻速行駛，然后在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對加速度信號數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最后得出了加速度信號的每個(gè)階位的分析結(jié)果，從結(jié)果中得出，該處地板的劇烈振動(dòng)一般發(fā)生在客車的傳動(dòng)軸1.28階激勵(lì)位置和客車發(fā)動(dòng)機(jī)的2階激勵(lì)位置，而且兩個(gè)位置的振動(dòng)頻率波動(dòng)范圍在45Hz～60Hz之間。

3 優(yōu)化客車NVH特性和車身地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化客車的NVH特性

通過上述的一系列客車NVH問題，我們發(fā)現(xiàn)，要想從根本上解決客車的NVH問題，必須在開發(fā)和設(shè)計(jì)中進(jìn)行完善，而不是等客車出現(xiàn)實(shí)際問題時(shí)再去解決問題，這種方法無異于是“亡羊補(bǔ)牢”。只有優(yōu)化了客車的NVH特性，才能解決客車中存在的噪音污染和車身地板振動(dòng)問題，所以在開發(fā)設(shè)計(jì)階段，必須按照客車的NVH標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)進(jìn)行衡量，才能提高客車的整體NVH特性。

3.1.1 設(shè)定NVH性能目標(biāo)

這是優(yōu)化客車的NVH特性的第一個(gè)階段，主要目的是設(shè)定NVH性能目標(biāo)，并且要把NVH分解到客車的每個(gè)子系統(tǒng)部件上，可以從這幾個(gè)方面來考慮客車的NVH性能設(shè)計(jì)：1）滿足乘客對客車的舒適度要求，了解日常行駛中的車身振動(dòng)和噪音情況；2）滿足政府對汽車的振動(dòng)和噪音等級設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)；3）對于一些新開發(fā)的車型，一定要認(rèn)真研究樣車的型號和各項(xiàng)數(shù)據(jù)，了解汽車的各方面性能優(yōu)缺點(diǎn)；4）了解汽車的各個(gè)零部件NVH標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。在設(shè)定樣車的NVH性能目標(biāo)時(shí)，研究市場消費(fèi)者對車輛的各項(xiàng)功能需求，建立車輛的各項(xiàng)NVH等級目標(biāo)。對汽車在各種行駛狀態(tài)下的NVH特性有一個(gè)了解，例如：加速度、勻速、減速。在開發(fā)設(shè)計(jì)汽車的NVH性能時(shí)，各個(gè)子系統(tǒng)之間的設(shè)計(jì)既要有關(guān)聯(lián)性，也要獨(dú)立分開。

3.1.2 進(jìn)行客車的NVH特性開發(fā)

在這一階段，必須對客車的各個(gè)系統(tǒng)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并仿真分析方案的可行性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)目的的成功幾率。

首先根據(jù)設(shè)定的NVH目標(biāo)，來確定各個(gè)系統(tǒng)零部件的設(shè)計(jì)方案，研究汽車的NVH設(shè)計(jì)方法?？梢赃M(jìn)行數(shù)學(xué)建模，明確系統(tǒng)各部件之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。優(yōu)化汽車部件元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能要求。對子系統(tǒng)的每個(gè)元件的特點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，多元化優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)子系統(tǒng)，提高車輛的NVH性能。在設(shè)計(jì)完成之后，需要對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析，并將最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)安裝在模型樣車上，檢查各個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和性能，對一些不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善和改正。

3.1.3 實(shí)車調(diào)試優(yōu)化NVH特性

在實(shí)車生產(chǎn)完成之后，需要把實(shí)車的各項(xiàng)特點(diǎn)與目標(biāo)樣車進(jìn)行對比，并對NVH特性進(jìn)行調(diào)試，判斷是否有某些地方不合乎最初的目標(biāo)。采集實(shí)車的各項(xiàng)行駛狀態(tài)下的NVH數(shù)據(jù)，例如：加速度、勻速、減速，進(jìn)一步分析實(shí)車的NVH特性，對一些缺陷及時(shí)彌補(bǔ)，從整體上優(yōu)化汽車的NVH特性，提高汽車的質(zhì)量。

3.2 車身地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

加強(qiáng)客車后部座位處地板的橫梁剛度，客車中部的地板是整個(gè)客車的關(guān)鍵地位，必須加強(qiáng)這個(gè)位置的地板強(qiáng)度。為了考慮成本的經(jīng)濟(jì)性和工藝的可靠性，可以增加客車后部的地板厚度，同時(shí)在客車的后部橫梁之間加裝一根和車架寬度相等的橫梁，橫梁的截面形狀必須和汽車原有的橫梁形狀一致，這樣就使客車的整體強(qiáng)度增加了，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸之間的工作使地板振動(dòng)。優(yōu)化了車身地板結(jié)構(gòu)，加固了車身底板，提高了客車的整體NVH性能。

4 車身地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果驗(yàn)證和實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在車身地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，對客車的各個(gè)階次的振動(dòng)頻率和振動(dòng)情況進(jìn)行分析得出結(jié)論，各個(gè)階次的振動(dòng)頻率相對于優(yōu)化前性能都提高了10%之上，車身地板的各個(gè)局部區(qū)域強(qiáng)度提高后，激勵(lì)點(diǎn)速度逐漸降低了，這表示了車身地板結(jié)構(gòu)的NVH特性提高了。

在實(shí)車的道路測試過程中，在車身的第五排座位處的地板上安裝多個(gè)加速度傳感器進(jìn)行測試，最終得到測試結(jié)果。當(dāng)車速達(dá)到110km/h，該處地板的振動(dòng)頻率波動(dòng)在40Hz～55Hz之間，振動(dòng)強(qiáng)度得到明顯衰減。這說明在優(yōu)化地板設(shè)計(jì)之后，客車的整體NVH性能得到優(yōu)化。

5 結(jié)論

通過上述的一系列實(shí)驗(yàn)分析得知，客車的NVH特性和車身地板優(yōu)化設(shè)計(jì)和客車的零部件系統(tǒng)存在至關(guān)重要的聯(lián)系，必須根據(jù)地板的具體振動(dòng)情況，提出合理的改進(jìn)方案，在設(shè)計(jì)地板結(jié)構(gòu)之前，必須建立科學(xué)、合理的樣車模型，對模型的靈敏度和形態(tài)進(jìn)行分析，制定出高效合理的地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，在客車開發(fā)設(shè)計(jì)中要把NVH特性融入到每個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)中，提高設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，提高自主研發(fā)水平，為人們設(shè)計(jì)出舒適、優(yōu)良的客車。

參考文獻(xiàn)

[1]陳龑，林建平，胡小舟，等.基于模態(tài)分析的某客車車身NVH性能優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2013（6）：51-54.

[2]張宇，張仲鵬.車身結(jié)構(gòu)NVH特性多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（5）：116-117.

[3]張守元，沈磊，朱建，伏小龍，郁強(qiáng).基于FEM的整車NVH特性分析與控制研究[J].輕型汽車技術(shù)，2010（4）：4-11.