前懸聲品質(zhì)提升方案研究

陳晶艷

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

懸架是車輛的重要組成部分，可將路面作用于車輪上的力和力矩傳遞到車身上，以保證汽車的正常行駛[1]。懸架系統(tǒng)通過將擺臂、轉(zhuǎn)向裝置、穩(wěn)定桿、驅(qū)動裝置、差速器等多個底盤元件預(yù)裝到副車架中，形成一個模塊[2-3]。因此各桿系的連接、副車架與車身的連接直接影響整車NVH(Noise Vibration Harshness)的表現(xiàn)[4]。

隨著生活水平的提高，廣大消費者對擁有自己的家用轎車產(chǎn)生了日益強烈的需求，并逐漸從代步需求轉(zhuǎn)向個性體現(xiàn)，對車輛品質(zhì)的要求也逐漸提升[5]。同時隨著自主品牌的不斷崛起，市場份額越占越大，所有品質(zhì)問題均會對自主品牌形象造成非常大的影響。

某新品轎車在行駛中，以40～50 km/h的速度過凹坑時底盤前部發(fā)出類似金屬敲擊“kuang kuang”聲，極易引起客戶抱怨，讓顧客有不安全感，嚴(yán)重影響品牌競爭力。通過FTA(Fault Tree Analysis)分析法查找所有可能原因，并對所有原因及改善方案進行逐條分析驗證，最終得到最優(yōu)的解決方案。

1 問題研究

1.1 問題描述

前懸異響的工況見圖1，即車輛以50 km/h的速度制動過100 mm深坑，底盤前部發(fā)出類似金屬敲擊“kuang kuang”聲。實驗中選取的深坑結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖1 前懸異響的工況

圖2 深坑結(jié)構(gòu)特征圖

1.2 異響位置分析

應(yīng)用LMS聲壓系統(tǒng)，實車狀態(tài)對前懸各點進行聲壓采集，采集點及聲壓示意圖分別如圖3、圖4所示。發(fā)現(xiàn)副車架處聲壓最強，異響位置鎖定于副車架。

圖3 聲壓采集的示意圖

圖4 異響聲壓示意圖

對前懸架各個零部件進行檢查，表面無撞擊痕跡，排除撞擊異響。對副車架上(如圖5所示)各安裝點進行檢查，副車架與懸置、擺臂安裝點均未發(fā)生滑移，但與車身安裝點處出現(xiàn)明顯劃痕，見圖6。

圖5 副車架焊接車身

圖6 車架表面劃痕

為證明原因的唯一性，把有明顯滑移痕跡的副車架后安裝點焊接在車身上，再進行車速50 km/h、過100 mm深坑試驗，無金屬撞擊聲，因此明確副車架后安裝點產(chǎn)生滑移是前懸聲學(xué)品質(zhì)差的根本原因。

2 機制分析

2.1 副車架滑移要因分析

能產(chǎn)生相對滑移的條件即為f≤F[6-7]，而：

式中：f為摩擦力；F為外載力；F0為螺栓預(yù)緊力；μ為接觸面摩擦因數(shù)；i為結(jié)合面數(shù)；N為螺栓個數(shù)；K為扭矩系數(shù)；d為螺栓公稱直徑。

針對主要原因通過如圖7所示的FTA分析找到了與后點滑移相關(guān)聯(lián)的8個末端因素。

圖7 FTA分析法

根據(jù)實驗的條件，時速50 km/h、坑深100 mm為現(xiàn)實生活中開車常見的極限工況。比對其他車型的副車架，此車型采用的副車架結(jié)構(gòu)形式為四點安裝，采用M14的螺栓，擰緊力矩為160 N·m，車身與車架為凸臺連接(見圖8)，均為成熟方案。通過排除法得出可能存在的要因為凸臺Z向尺寸偏小、支架與套管間隙過大造成的預(yù)緊力不足。

通過拆解異響車輛，發(fā)現(xiàn)副車架后安裝點存在較明顯凹陷現(xiàn)象，見圖5。通過對副車架制造現(xiàn)場進行調(diào)查分析，部分副車架后安裝點存在不同程度間隙，見圖9。

圖8 副車架安裝示意圖

圖9 副車架安裝示意圖

2.2 仿真論證

從圖10可以看出：副車架后安裝支架與支撐套管的間隙值將導(dǎo)致螺栓有效預(yù)緊力的損失，進而可能無法提供足夠的摩擦力而使副車架與車身之間存在滑移的可能性。

圖10 緊固力的示意圖

通過仿真計算，設(shè)計狀態(tài)的副車架后安裝點能夠提供摩擦力8 000 N，大于過坑時后點外載的最大值，理論上不會導(dǎo)致副車架滑移；但當(dāng)安裝支架與支撐套管間隙大于1.2 mm時，如圖11所示，安裝點的摩擦力將小于外載力6 500 N，從而存在副車架滑移風(fēng)險。

圖11 摩擦力計算

但因安裝支架沖壓件與上、下板焊接件配合后的累積制造公差將會達到±2.5 mm，如圖12所示，且支撐套管高度只能是固定的，這必將導(dǎo)致安裝支架與支撐套管之間0～2.5 mm間隙的存在。通過如圖13所示的3DCS專業(yè)軟件進行裝配公差分析，安裝支架與支撐套管間隙超過1.2 mm的概率在0.5%，故在現(xiàn)有制造水平的基礎(chǔ)上縮小公差已不現(xiàn)實，需要從設(shè)計方面解決此問題。

圖12 結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 3DCS分析

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證

為從設(shè)計上消除鈑金間間隙，計劃將原安裝支架取消，冷墩套管局部加厚10 mm，見圖14，但由于冷鐓套管安裝表面的摩擦因數(shù)小(0.083)，安裝面能夠提供的最大摩擦力5 000 N小于過坑時外載力的最大值，如圖15所示。

圖14 優(yōu)化方案

圖15 摩擦力計算

而提高摩擦因數(shù)最簡單最直接的方法是增加滾花墊片，見圖16，摩擦因數(shù)可從0.083提高到0.35，經(jīng)計算可提供足夠的摩擦力保證副車架不滑移，但這樣組裝便利性差，容易漏裝，影響生產(chǎn)節(jié)拍。而在冷鐓套管表面上滾花，見圖17，對齒形設(shè)計要求比較高，為保證滾齒能壓入車身且深度合理，在做齒形設(shè)計時既要考慮冷鐓套熱處理后齒形的強度，又要防止在熱處理過程中齒形的變形[8]。經(jīng)過幾輪優(yōu)化，最終選用錐形齒，示意及參數(shù)見圖18及表1。

圖16 增加滾花墊片 圖17 冷鐓套管表面上滾花

圖18 齒形圖

表1 齒形參數(shù) mm

通過臺架實驗驗證，冷鐓套管滾花壓入良好，見圖19，經(jīng)整車試驗驗證50 km/h制動過100 mm深坑前懸無金屬撞擊音。

圖19 冷鐓套管滾花壓入情況

4 結(jié)論

汽車前懸由于復(fù)雜的受力環(huán)境容易造成前懸異響等聲學(xué)品質(zhì)問題。通過運用FTA、仿真分析，快速研究出問題的原因和機制，并為在研車型提供了設(shè)計規(guī)避方案，節(jié)約了成本，提高了品牌競爭力。

參考文獻:

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