基于有限元法的懸架系統(tǒng)振動(dòng)傳遞函數(shù)研究

徐寅生，岳濤

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

懸架是車(chē)身與車(chē)橋間一切傳力連接的裝置，彈性地連接車(chē)體和車(chē)輪，緩和并衰減由于路面不平度傳遞至車(chē)輛的振動(dòng)[1]，合理的懸架振動(dòng)傳遞特性設(shè)計(jì)，達(dá)成較好的隔振性能，可以避免車(chē)輪的振動(dòng)過(guò)大的通過(guò)懸架，傳遞至車(chē)身，減小車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)，降低車(chē)內(nèi)噪聲，提升懸架NVH特性。

1 基本理論

1.1 有限元法

有限元法是用有限個(gè)單元將結(jié)構(gòu)彈性體或空氣離散化，根據(jù)力學(xué)或聲學(xué)方程，得到聯(lián)立代數(shù)方程并求解，得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性或聲學(xué)特性，適用于低頻振動(dòng)模擬和分析。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，預(yù)測(cè)振動(dòng)傳遞特性，通過(guò)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)水平。

1.2 傳遞路徑分析法

傳遞路徑分析法就是復(fù)雜系統(tǒng)受到多種振動(dòng)噪聲源激勵(lì)，每種激勵(lì)都可能通過(guò)不同的路徑，傳遞到響應(yīng)點(diǎn)。[2][3]

假設(shè)某系統(tǒng)受到m個(gè)激勵(lì)力作用，每個(gè)激勵(lì)有x,y,z三個(gè)方向分量（用k=1,2,3表示），每個(gè)激勵(lì)分量都對(duì)應(yīng)著n個(gè)特定的傳遞路徑，那么這個(gè)激勵(lì)分量和對(duì)應(yīng)的傳遞路徑就產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)分量，整個(gè)振動(dòng)響應(yīng)可以表示為：

Hmnk表示傳遞函數(shù)，F(xiàn)nk表示激勵(lì)頻譜。

1.3 模態(tài)貢獻(xiàn)量及響應(yīng)分析

1.3.1 模態(tài)貢獻(xiàn)量

模態(tài)貢獻(xiàn)量是某階模態(tài)的響應(yīng)在總響應(yīng)中的比重，模態(tài)分解后得到模態(tài)貢獻(xiàn)量。通過(guò)貢獻(xiàn)量分析，優(yōu)化更有方向性，修改某一階模態(tài)而改進(jìn)總響應(yīng)。

1.3.2 響應(yīng)分析

響應(yīng)分析是以傳遞函數(shù)曲線為響應(yīng)目標(biāo)，基于模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，預(yù)測(cè)曲線優(yōu)化前后的變化趨勢(shì)，快速得到優(yōu)化方向。

2 懸架系統(tǒng)測(cè)試與仿真

2.1 懸架系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試采用力錘敲擊，采集測(cè)點(diǎn)響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)處理及擬合的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。主要測(cè)試部件包括前下擺臂、前副車(chē)架、后扭力梁，示意圖如圖1所示。

圖1 懸架系統(tǒng)零部件模態(tài)測(cè)試示意圖

識(shí)別前后懸架振動(dòng)傳遞的主要路徑及激勵(lì)方向，布置傳感器進(jìn)行傳遞函數(shù)測(cè)試，如圖2所示。

圖2 傳遞函數(shù)測(cè)試點(diǎn)示意圖

測(cè)試結(jié)果用于和仿真分析結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型精度。

2.2 懸架系統(tǒng)仿真分析

建立懸架系統(tǒng)有限元模型，如圖3。

圖3 懸架系統(tǒng)有限元模型示意圖

設(shè)置模態(tài)分析工況，計(jì)算并提取相應(yīng)結(jié)果。傳遞函數(shù)分析邊界條件及考察指標(biāo)與測(cè)試保持統(tǒng)一，分析模型如圖4所示。

圖4 振動(dòng)傳遞函數(shù)分析示意圖

3 驗(yàn)證分析

對(duì)比懸架系統(tǒng)零部件模態(tài)仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，以及傳遞函數(shù)分析與測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證有限元模型精度，為后期傳遞函數(shù)分析研究奠定基礎(chǔ)。

3.1 零部件精度驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差低于 5%，精度滿足要求，如表1所示。

表1 零部件模態(tài)精度驗(yàn)證

3.2 傳遞函數(shù)驗(yàn)證

傳遞函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的頻率、曲線變化趨勢(shì)基本一致，精度滿足要求，如圖5、6所示。

圖5 前懸架傳遞函數(shù)驗(yàn)證

圖6 后懸架傳遞函數(shù)驗(yàn)證

備注：紅色曲線為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果曲線，黑色曲線為仿真分析結(jié)果曲線

綜合模態(tài)、傳遞函數(shù)驗(yàn)證結(jié)果，懸架系統(tǒng)有限元模型可用于進(jìn)一步研究。

4 傳遞函數(shù)研究

對(duì)傳遞函數(shù)曲線某個(gè)峰值頻率進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，精準(zhǔn)找出對(duì)該處峰值影響較大的模態(tài)頻率，并進(jìn)行響應(yīng)分析，計(jì)算該頻率對(duì)峰值及整個(gè)頻道段內(nèi)傳遞函數(shù)的影響[4]。

4.1 模態(tài)貢獻(xiàn)量分析

以前懸架輪心至前減震器車(chē)身安裝點(diǎn)振動(dòng)傳遞曲線為例，對(duì) 43Hz處峰值進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，得到傳遞函數(shù)該峰值貢獻(xiàn)量較大的前5階模態(tài)，如圖7所示：

圖7 模態(tài)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果示意圖

在五個(gè)主要貢獻(xiàn)的模態(tài)頻率中，第41階模態(tài)（43.82Hz）和第31階模態(tài)（14.81Hz）貢獻(xiàn)量相對(duì)較大，分別為+39.36%和+31.87%。

4.2 響應(yīng)分析

計(jì)算第41階模態(tài)在整個(gè)頻率段對(duì)傳遞函數(shù)的影響，所得優(yōu)化前后傳遞函數(shù)對(duì)比如下圖8所示；該階模態(tài)對(duì)43Hz峰值削減明顯，若對(duì)其他關(guān)注頻率點(diǎn)有反作用，則該優(yōu)化不可取。

圖8 傳遞函數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

備注：藍(lán)色實(shí)線為優(yōu)化前傳遞函數(shù)曲線，紅色虛線為優(yōu)化后傳遞函數(shù)，綠色實(shí)線為優(yōu)化百分比。

據(jù)上分析結(jié)果，第41階模態(tài)對(duì)43Hz處響應(yīng)削弱明顯，在整個(gè)考察頻率范圍內(nèi)，對(duì)傳遞函數(shù)有不同程度的優(yōu)化效果。結(jié)合對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從而對(duì)傳遞函數(shù)在 43Hz處的峰值進(jìn)行較大幅度的優(yōu)化，并且在其他頻率點(diǎn)也有不同程度的優(yōu)化。

另一方面，多條傳遞路徑進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量以及響應(yīng)分析時(shí)，在權(quán)衡各條路徑中模態(tài)貢獻(xiàn)量的同時(shí)，響應(yīng)分析也要關(guān)注多個(gè)響應(yīng)點(diǎn)的變化趨勢(shì)，如此更有利于我們找到響應(yīng)優(yōu)化的最佳方向。

5 總結(jié)

結(jié)合懸架系統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)及傳遞函數(shù)測(cè)試，對(duì)有限元模型調(diào)校及分析，使模型達(dá)到精度要求。在精度提升過(guò)程中，識(shí)別影響懸架系統(tǒng)傳遞特性的主要因素，并基于有限元分析所得的懸架系統(tǒng)振動(dòng)傳遞函數(shù)，對(duì)曲線峰值頻率進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，找出影響該峰值的主要模態(tài)頻率，進(jìn)行響應(yīng)分析，快速找到優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比及傳遞函數(shù)變化趨勢(shì)，明確優(yōu)化方向，提高懸架系統(tǒng)隔振性能。