乘用車NVH特性的車身地板優(yōu)化設(shè)計(jì)

歐陽軍、李直騰、保振安

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007)

0 引言

近年來，隨著人們生活質(zhì)量的提高和汽車的不斷普及，人們對(duì)于車輛NVH性能等要求也越來越大。乘用車的NVH性能影響乘客的乘車舒適感，也逐漸成為衡量一輛汽車品質(zhì)好壞的硬性指標(biāo)，是汽車廠家提升市場競爭力的主要途徑，因此被各大主機(jī)廠高度重視。

本文針對(duì)在乘用車進(jìn)行主觀比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)在處于高速行駛狀態(tài)下，乘用車的地板會(huì)存在振動(dòng)過大的情況，可能會(huì)導(dǎo)致乘客產(chǎn)生一定的不適感。同時(shí)，地板的振動(dòng)還會(huì)傳遞給成員，進(jìn)而會(huì)影響車輛的性能，如何能夠有效避免這種地方振動(dòng)，并提高乘用車的性能這是當(dāng)前急需解決的問題。

乘用車在提升NVH性能過程中，工作人員在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，乘用車在處于120 km/h的車速行駛時(shí)，車身地板存在較大幅度的振動(dòng)，進(jìn)而影響到乘用車的分類，針對(duì)性能這一問題，我們先對(duì)乘用車產(chǎn)生的異常振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行道路測試，采集車身地板的振動(dòng)加速度，同時(shí)利用數(shù)據(jù)分析構(gòu)建乘用車車身的有限元模型，采用階次分析法和模態(tài)分析這兩種方法，最終發(fā)現(xiàn)，引起車身和車架振動(dòng)是由于傳動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率與車身地板的模態(tài)頻率將接近，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生共振，導(dǎo)致乘用車的NVH性能降低。

為了能夠縮短開發(fā)周期和生產(chǎn)成本，我們主要從車身地板的橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化展開分析，改變模態(tài)分布使得地板的模態(tài)更為合理，從而能夠解除共振的現(xiàn)象。根據(jù)前面驗(yàn)證的車身地板的有限元模型，通過OptiStruct對(duì)地板模態(tài)的各個(gè)橫梁進(jìn)行靈敏度分析，再提出相關(guān)的幾個(gè)優(yōu)化方案。除此之外，車身減振降噪，首先要改善車身的密封性能，其次合理設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)，最后還需要合理布隔音阻尼材料，本文通過軟件分析還對(duì)車身地板的阻尼材料進(jìn)行合理布置，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。

1 車身地板的仿真分析

利用軟件建立了地板的模型圖，并參考了車身地板各個(gè)組件的材料和厚度，同時(shí)設(shè)定各個(gè)鈑金組件之間的焊接方式，約束模型的四周，并模擬地板固定在車身上的狀態(tài)，對(duì)地板進(jìn)行單位激勵(lì)，模擬輪胎以及發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的激勵(lì)。

采用有限元建立模型對(duì)乘用車展開有限元建模，考慮到車身點(diǎn)焊連接作用，我們采用weld模擬，利用Beam進(jìn)行螺栓連接，利用Adhere模擬粘接連接。通過模態(tài)分析與地板后部振動(dòng)發(fā)現(xiàn)，它的頻率處于60 Hz的模態(tài)時(shí)存在2個(gè)關(guān)鍵的模態(tài)，分別是41和53階。

其次我們對(duì)車身的地板進(jìn)行測試，由于乘用車一般振動(dòng)是整車狀態(tài)下的，因此我們需要測試整車狀態(tài)下地板的模態(tài)，通過數(shù)據(jù)獲得實(shí)車狀態(tài)下地板的各階建模，我們可以將測試的結(jié)果與車身地板的計(jì)算模態(tài)結(jié)果進(jìn)行比較。通過數(shù)據(jù)分析，我們可以看出2種分布模態(tài)的頻率仿真計(jì)算是與實(shí)驗(yàn)值誤差低于3%的，并且其仿真振型和試驗(yàn)振型結(jié)果一致，其他的模態(tài)分析也吻合。因此可以利用這種現(xiàn)有模型對(duì)乘用車車身地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，我們利用地板試驗(yàn)測試和建立了有限元模態(tài)仿真，從2種結(jié)果上來看乘用車車身體板后部存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)模態(tài)，其頻率為60 Hz處存在兩局部模態(tài)，是與發(fā)動(dòng)機(jī)的二階工作激勵(lì)頻率和傳動(dòng)軸的1.28階激勵(lì)頻率范圍內(nèi)的，在乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)完成優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，會(huì)與地板發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致車身地板出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)。從噪聲分析結(jié)果來看，在無阻尼的狀態(tài)下，在60 Hz的頻率范圍內(nèi)，前排駕駛員右耳位置的聲壓值最高，是58dB（A），而后排乘客的右耳位置的聲壓值最大為58.2 dB（A）。

2 車身地板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

要想從根本上解決車身地板后部產(chǎn)生的共振，需要將地板后部的局部模態(tài)頻率進(jìn)行移除，并且使其盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸的激勵(lì)頻率。為了能夠?qū)崿F(xiàn)地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，我們先對(duì)地板模態(tài)進(jìn)行靈敏度分析，從而確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。首先，在對(duì)地板模態(tài)進(jìn)行分析過程中，我們需要對(duì)模型四周進(jìn)行約束，模擬地板固定在車身上的狀態(tài)，對(duì)地板要施加單位激勵(lì)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)以及輪胎可能產(chǎn)生的激勵(lì)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)該車型的車身地板無阻尼材料布置時(shí)，振動(dòng)情況比較明顯。因此在優(yōu)化時(shí)，可以根據(jù)鈑金振動(dòng)的具體位置，合理采用阻尼材料，進(jìn)而減小車身地板的振動(dòng)速度，減少噪音的傳遞。

根據(jù)VA ONE軟件分析對(duì)地板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的阻尼材料產(chǎn)品信息進(jìn)行分析，確定了當(dāng)前所使用的阻尼材料的阻尼因子以及彈性模量，泊松比等因素，經(jīng)過分析我們獲得了地板振動(dòng)速度分布以及噪聲的分布情況，并于原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

從振動(dòng)對(duì)比數(shù)據(jù)來看，增加阻尼材料之后，與原始的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)地板振動(dòng)明顯減少，說明給車身地板增加阻尼材料之后，鈑金部件的振動(dòng)速度會(huì)明顯降低，這種優(yōu)化方案是可以達(dá)到減振的目的。

從噪聲比較來看，在頻率為30～200 Hz的范圍內(nèi)，前排的駕駛員右耳處的聲壓值最大可以是48 dB（A），而后排的乘客右耳聲壓值最大是49.8 dB（A），相比原始的數(shù)據(jù)來看，增加阻尼材料后，前后排的乘客右耳的聲壓值均降低了10 dB（A），因此從優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)分析對(duì)于減少噪聲也起到了積極作用。

3 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

我們針對(duì)車身地板振動(dòng)情況進(jìn)行整車試驗(yàn)，在車身地板粘貼多個(gè)加速度傳感器。當(dāng)乘用車的車速分別為100 km/h、110 km/h、120 km/h時(shí)，經(jīng)過優(yōu)化之后的地板在60 Hz的頻率范圍內(nèi)所獲得的峰值有一定程度的減弱，基本可以消除共振的現(xiàn)象，而且將所有采集到的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)之后，周邊的加速度采集信號(hào)振動(dòng)頻率也會(huì)得到一定程度的降低。最后我們對(duì)地板的后座椅附近同一點(diǎn)處的振動(dòng)情況進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化之后的地板的振動(dòng)峰值有所減弱，說明這種優(yōu)化方案對(duì)于改善地板共振是十分有效的。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)乘用車地板共振展開分析，并通過試驗(yàn)測試地板的2個(gè)局部模態(tài)發(fā)現(xiàn)，在頻率為60 Hz處，是位于發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸的激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，進(jìn)而引起了地板的共振現(xiàn)象。為了能夠解決這一問題，通過實(shí)車道路測試以及模型的模態(tài)分析找到共振的主因，然后用模態(tài)靈敏度分析制作優(yōu)化成較為合理的優(yōu)化方案。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是十分有效的，能夠?yàn)槠渌こ虇栴}提供實(shí)踐參考。