乘用車副車架NVH性能分析

馮一鳴 沈繼偉 朱茂桃

摘要：該文通過(guò)建立副車架的有限元模型，并運(yùn)用模態(tài)分析理論得出副車架的自由模態(tài)振型，與發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的振動(dòng)頻率以及路面激勵(lì)進(jìn)行比較，得出副車架是否會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，評(píng)價(jià)其NVH特性。根據(jù)比較結(jié)果提出副車架優(yōu)化方案，之后進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度校核。該研究對(duì)解決整車舒適性以及副車架設(shè)計(jì)改進(jìn)等實(shí)際問(wèn)題有重要幫助。

關(guān)鍵詞：副車架；NVH；有限元分析

1引言

相比于其他車輛，乘用車更加注重整車舒適性，而副車架性能的好壞對(duì)整車NVH性能有重要影響，所以有必要對(duì)乘用車副車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，來(lái)改善乘用車乘坐體驗(yàn)。

2NVH簡(jiǎn)介

NVH是指噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度，而研究汽車的NVH特性就是研究車輛的噪聲和振動(dòng)對(duì)整車性能和舒適性的影響。不同的企業(yè)對(duì)汽車振動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)方法會(huì)略有差別，但總體都可以分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)?？陀^評(píng)價(jià)是通過(guò)專業(yè)儀器檢測(cè)汽車行駛過(guò)程中車內(nèi)實(shí)際的噪聲分貝大小，以及車身的振動(dòng)頻率大??；主觀評(píng)價(jià)是依靠相關(guān)工作人員乘坐測(cè)試車輛時(shí)的主觀感受進(jìn)行打分，通過(guò)分?jǐn)?shù)來(lái)評(píng)定NVH舒適等級(jí)。

汽車的振動(dòng)噪聲傳遞包含三步，即激勵(lì)源（振動(dòng)的產(chǎn)生）、振動(dòng)的傳遞和噪聲的發(fā)射。一般來(lái)說(shuō)車輛的噪聲源主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)（包括變速箱以及其他傳動(dòng)部件）、排氣系統(tǒng)、車輛高速行駛時(shí)的風(fēng)噪和胎噪，車輛的振源主要是：發(fā)動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)，包括車輛行駛在不平路面引起的整個(gè)車身振動(dòng)。其具體的振動(dòng)噪聲傳遞過(guò)程如下（圖1）：

副車架在整個(gè)振動(dòng)噪聲傳遞路線中處于中間環(huán)節(jié)，可見(jiàn)副車架對(duì)于汽車整體的振動(dòng)噪聲傳遞有著較為重要的影響。因此對(duì)副車架進(jìn)行模態(tài)分析，得到相關(guān)振動(dòng)頻率信息和振型圖，從中找出可能會(huì)發(fā)生共振的頻率，對(duì)合理地設(shè)計(jì)和改善副車架結(jié)構(gòu)，解決結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能缺陷問(wèn)題，使其具有合理的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和良好的NVH性能具有重要的指導(dǎo)意義。

3副車架建模

將副車架三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件時(shí)，由于格式轉(zhuǎn)換難免會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)失真，由此產(chǎn)生幾何模型的缺失、重疊或間隙等問(wèn)題。如果不對(duì)模型進(jìn)行幾何修復(fù)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分變得更加困難而不能快速建立有效的有限元模型。本文所研究的副車架主體為殼結(jié)構(gòu)，因此可對(duì)模型抽取中面后進(jìn)行幾何前處理及后期分析。

使用Hypermesh的automesh功能對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用三角形和四邊形的混合劃分方法，并把單元邊長(zhǎng)定義為5mm。劃分網(wǎng)格后，可以選擇Tool中的check elems命令對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行質(zhì)量檢查，根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行適度調(diào)整來(lái)滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

本次研究的副車架主體的材料為Q345鋼，因此材料的基本屬性定義為鋼材，材料的彈性模量為2.1×10Mpa，密度為7.9×10t/mm3，泊松比為0.3。每一部件的厚度尺寸在屬性的PSHELL中定義。

采用ID的rigid單元（RBE2）模擬焊縫，采用ID的spring單元定義襯套的三向剛度。

本文所需確定的邊界約束為副車架與車架的4個(gè)連接孔的約束，根據(jù)副車架在整車中裝配情況，選擇位移約束。在4個(gè)車架連接點(diǎn)處施加x，y，z平面內(nèi)的平動(dòng)約束。

最后完成的有限元模型如圖2所示。

4模態(tài)分析

4.1模態(tài)分析理論

模態(tài)是指物體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，在某一階固有頻率下，其上每個(gè)點(diǎn)偏離平衡位置的位移是有關(guān)聯(lián)的，我們可以用向量將其表示出來(lái)。根據(jù)物體結(jié)構(gòu)的固有屬性，包括頻率、阻尼和模態(tài)振型等去研究物體的過(guò)程就是模態(tài)分析。用模態(tài)分析確定副車架的振動(dòng)特性，其分析結(jié)果可作為評(píng)價(jià)NVH性能的基礎(chǔ)。

在有限元分析中，物體的振動(dòng)方程為：

對(duì)于無(wú)阻尼情況，阻尼項(xiàng)[c]（u2）可以忽略，因此方程可簡(jiǎn)化為：

其中表示特征值；{u3}表示特征向量，在實(shí)際的物理振動(dòng)過(guò)程中則表示物體的振型，它表示的是振動(dòng)物體在各個(gè)位置不同方向上的振幅情況，是個(gè)定值。對(duì)于有阻尼的情況，振動(dòng)方程可轉(zhuǎn)化為：

模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)就是求解振動(dòng)方程的特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)的固有頻率和位移列{u3}陣即結(jié)構(gòu)的振型，其固有頻率階數(shù)就是方程特征值個(gè)數(shù)。振動(dòng)方程的特征方程可表達(dá)為：

上式即為無(wú)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的特征方程。

有限元分析中有很多模態(tài)提取方法，選擇的主要依據(jù)是模型的復(fù)雜程度和具體的應(yīng)用場(chǎng)景，合適的方法會(huì)直接提高求解過(guò)程的速度和結(jié)果的精度。常見(jiàn)的主要有子空間迭代法、分塊蘭索斯法、PowerDyamie法、凝聚法、非對(duì)稱矩陣法等。由于本次副車架結(jié)構(gòu)基本沿著中軸線左右對(duì)稱而且模型較大，而分塊蘭索斯法主要用于大型結(jié)構(gòu)對(duì)稱的質(zhì)量及剛度矩陣，且輸入?yún)?shù)少，求解速度快，還能保持一定的求解精度，所以本文就使用這種方法進(jìn)行模態(tài)提取。

4.2模態(tài)分析結(jié)果

因發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和路面激勵(lì)所產(chǎn)生的對(duì)副車架有影響的頻率較低，所以我們只選擇前六階模態(tài)分析，附上一階模態(tài)振型圖，分析結(jié)果見(jiàn)表1：

5激勵(lì)頻率分析

有了副車架的自由模態(tài)固有頻率，只要得到路面激勵(lì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)所引起的副車架振動(dòng)頻率，將兩者頻率進(jìn)行對(duì)比，即可判斷該副車架是否會(huì)發(fā)生共振，評(píng)價(jià)其NVH性能的好壞。

通過(guò)測(cè)試工程師的大量實(shí)地試驗(yàn)，我們得知經(jīng)過(guò)坑洼路面和懸架系統(tǒng)傳遞到副車架和車身，并且車輛乘坐人員能直接感受到的振動(dòng)頻率通常在25～50Hz。設(shè)f為汽車正常行駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率；n為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速（2000r/min）；z為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)；該副車架用于一般裝有四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車上，則振動(dòng)頻率為：

由上式可得汽車正常行駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率大概為66.7Hz。

而之前的自由模態(tài)分析顯示該副車架最低的固有頻率為181Hz，高于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和一般路面激勵(lì)所導(dǎo)致的副車架振動(dòng)頻率，所以該副車架不會(huì)發(fā)生明顯的共振情況，NVH性能良好。

但為了防止副車架與周圍其他連接結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，所以進(jìn)一步優(yōu)化副車架質(zhì)量，提高其最低固有頻率。

6優(yōu)化分析

6.1優(yōu)化理論

利用OptiStruct中的尺寸優(yōu)化功能，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)改變結(jié)構(gòu)單元的屬性以達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。例如改變殼單元的厚度來(lái)改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力、改變彈簧單元?jiǎng)偠葋?lái)改變物體振動(dòng)位移等，這時(shí)需要把結(jié)構(gòu)單元的屬性定義為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)?；贠ptiStruct的優(yōu)化設(shè)計(jì)有三要素：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件。在副車架不與周圍結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的前提下，為了盡量減輕副車架質(zhì)量，本文優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為①優(yōu)化目標(biāo)：質(zhì)量最小、②約束條件：自由模態(tài)振動(dòng)頻率大于150Hz、③設(shè)計(jì)變量：殼單元厚度。

6.2優(yōu)化結(jié)果

具體優(yōu)化過(guò)程為，首先導(dǎo)入有限元模型，其次設(shè)置目標(biāo)函數(shù)（在response中選擇vol，在objective目標(biāo)函數(shù)中選擇最小min，即vol的min），然后設(shè)置約束條件，經(jīng)過(guò)3次迭代計(jì)算和圓整后，確定的優(yōu)化尺寸如表2。

通過(guò)計(jì)算，原先副車架的質(zhì)量為12.5kg，而經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化之后降為11.65kg，優(yōu)化之后的一階自由模態(tài)固有頻率也提高到了205Hz，單從這些結(jié)果來(lái)看，本次優(yōu)化較為合理。但由于減輕了質(zhì)量，相應(yīng)的強(qiáng)度會(huì)隨之下降，所以還需進(jìn)行強(qiáng)度校核才能最終確定優(yōu)化方案是否成功。

7強(qiáng)度校核

依據(jù)之前副車架的三維模型尺寸，用Adams建立與之匹配的懸架動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)其自帶的典型工況計(jì)算出加載在副車架與搖臂相連的四個(gè)位置的靜載荷，選取條件最為苛刻的制動(dòng)工況為例，得到表3，結(jié)果。由于這不是本次課題研究的重點(diǎn)，而篇幅有限文章，所以具體細(xì)節(jié)不再闡述。

之后利用Hypermesh對(duì)優(yōu)化之后的副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，得到該工況下的應(yīng)力極值為178.4MPa（圖4）。

對(duì)于汽車零部件來(lái)說(shuō)，為了充分保證零件的安全，通常需要將材料的屈服應(yīng)力除以相應(yīng)的安全系數(shù)，作為結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力。副車架結(jié)構(gòu)作為底盤(pán)的關(guān)鍵零部件，此處選取安全系數(shù)為1.5，該副車架所用材料為Q345鋼，算出該副車架結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為230Mpa，此結(jié)果大于副車架在該工況下的應(yīng)力極值178.4MPa，由此可知本次優(yōu)化結(jié)果符合強(qiáng)度要求。

8結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立副車架有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了NVH性能分析，發(fā)現(xiàn)副車架不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)和周邊結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，在進(jìn)一步提高其最低共振頻率的同時(shí)，進(jìn)行了相關(guān)的尺寸、質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)從事相關(guān)研究設(shè)計(jì)工作人員有一定的參考價(jià)值。