汽車(chē)車(chē)門(mén)敲擊異響分析

俞云云，崔世海，李琦

摘 要：基于某款汽車(chē)內(nèi)飾車(chē)身的CATIA三維模型，應(yīng)用Hypermesh軟件進(jìn)行建模和前處理，通過(guò)LMS.Test.Lab采集橫紋石塊路下的激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)尺寸公差信息篩選出需要進(jìn)行敲擊異響分析的邊界，利用采集的數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行敲擊異響分析，應(yīng)用Optistruct求解器計(jì)算結(jié)果，在Hyperview中進(jìn)行后處理分析，判斷車(chē)門(mén)是否會(huì)發(fā)生敲擊異響，找出車(chē)門(mén)異響風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為后期試驗(yàn)和優(yōu)化分析提供參考。

關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén);敲擊異響;有限元法

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-138-03

Analysis and Optimization Research on Rattle of Automobile doors*

Yu Yunyun1，2， Cui Shihai1， Li Qi2

（ 1.College of Mechanical Engineering， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300222;2.China Automotive Technology and Research Center， Tianjin 300399 ）

Abstract： Based on the CATIA three-dimensional model of a trimmed body car， the Hypermesh software is used to model and pre-process， the excitation signal under the transverse stone road is collected by LMS. Test. Lab， the boundary of knock rattle analysis is screened out according to the dimensional tolerance information， the rattle analysis of the door is carried out by using the collected data， and the post-processing analysis is carried out in Hyperview by using the calculation results of Optistruct solver to determine whether the rattle will occur in the door. Find out the risk point of rattle， which provides a reference for the later test and optimization analysis.

Keywords： Door; Rattle; FEM

CLC NO.： U463.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-138-03

1 序言

異響屬于NVH的重要組成部分，逐漸被汽車(chē)企業(yè)重視;異響被定義為在外力的作用下，多個(gè)相鄰部件或者兩個(gè)部件的表面產(chǎn)生了碰撞或摩擦而引起的聲音，包括Buzz（蜂鳴聲）、Squeak（摩擦異響）、Rattle（敲擊異響），簡(jiǎn)稱(chēng)BSR，蜂鳴聲是由單個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的的聲音;摩擦異響是指兩部件之間的相互摩擦運(yùn)動(dòng)而引起的聲音;敲擊異響是指兩部件之間發(fā)生相互碰撞而產(chǎn)生的聲音。文獻(xiàn)[1]提出異響的發(fā)展主要受一些條件的限制，如：輕質(zhì)材料的應(yīng)用、輕量化設(shè)計(jì)的要求等;文獻(xiàn)[2]研究了一種自動(dòng)檢測(cè)BSR的方法，并證實(shí)這種自動(dòng)檢測(cè)BSR的系統(tǒng)是可以代替主觀檢測(cè)的，建立BSR評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于評(píng)估汽車(chē)異響設(shè)計(jì)目標(biāo)和規(guī)格;文獻(xiàn)[3]指出Squeak和Rattle總是由相對(duì)位移引起的，即意味著如果沒(méi)有相對(duì)位移，也就沒(méi)有Squeak和Rattle的問(wèn)題發(fā)生;文獻(xiàn)[4]提出一種新的算法對(duì)Rattle和Squeak進(jìn)行分類(lèi)，新算法結(jié)合了聲音質(zhì)量指標(biāo)，包括粗糙度、尖銳度和波動(dòng)強(qiáng)度;文獻(xiàn)[5]闡述了關(guān)于異響產(chǎn)生的原因，如：制造問(wèn)題、裝配問(wèn)題、材料相容性問(wèn)題等，提出一些對(duì)異響問(wèn)題的敏感區(qū)域，有開(kāi)閉件、儀表板、座椅等;文獻(xiàn)[6]從試驗(yàn)角度介紹了異響的分類(lèi)，并根據(jù)自己的多年工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一些儀表板異響易產(chǎn)生的位置及原因;文獻(xiàn)[7]基于試驗(yàn)方面對(duì)常見(jiàn)的汽車(chē)內(nèi)飾件異響問(wèn)題進(jìn)行了分類(lèi)，介紹了異響問(wèn)題的排查方法及步驟。文獻(xiàn)[8]對(duì)汽車(chē)BSR測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了介紹，闡述了國(guó)內(nèi)外設(shè)備的差距。

現(xiàn)有的研究大部分為試驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用，以及通過(guò)工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的常見(jiàn)異響的發(fā)生部位及原因，本文主要應(yīng)用一套完整的有限元方法來(lái)判斷車(chē)門(mén)內(nèi)飾件之間是否存在敲擊異響的風(fēng)險(xiǎn)，并基于模態(tài)貢獻(xiàn)量對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化。

2 內(nèi)飾車(chē)身有限元建模

內(nèi)飾車(chē)身主要包括白車(chē)身、車(chē)門(mén)、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等開(kāi)閉件及內(nèi)飾，內(nèi)飾車(chē)身的搭建主要在白車(chē)身的基礎(chǔ)上將上述開(kāi)閉件及其他質(zhì)量大于0.5Kg的附件導(dǎo)入進(jìn)行連接裝配組成，不足0.5Kg的部件可以進(jìn)行配重，也可以將對(duì)模態(tài)影響不大的部件進(jìn)行配重，配重通過(guò)用RBE3單元連接，在質(zhì)心處用CONM2單元進(jìn)行模擬配重，車(chē)門(mén)需要鉸鏈連接，應(yīng)用RBE2連接時(shí)釋放一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度，內(nèi)飾車(chē)身有限元模型如圖1所示，共有5784278個(gè)單元，其中三角形單元105109個(gè)，占比1.82%，重量為1795Kg。車(chē)門(mén)的有限元建模首先由幾何模型在Hypermesh中進(jìn)行幾何清理，幾何清理的結(jié)果將直接影響網(wǎng)格劃分的效率和網(wǎng)格的質(zhì)量，好的幾何清理結(jié)果將對(duì)劃分網(wǎng)格的質(zhì)量有極大的幫助，將模型中密集的線(xiàn)條減少，去除不必要的硬點(diǎn)，將車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)中不必要的零件去除，減少零件數(shù)量，簡(jiǎn)化幾何結(jié)構(gòu)，像卡扣、螺栓、鉚釘?shù)冗B接的小零件，形狀比較復(fù)雜并且數(shù)量多，這些零件質(zhì)量較小，對(duì)模態(tài)結(jié)果的影響不大，并且不易進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因此為了提高建模的效率，一般情況下將這些小零件刪去，只保留它們的幾何特征，通過(guò)采用不同的連接方式來(lái)模擬。

圖1 ?內(nèi)飾車(chē)身有限元模型

車(chē)門(mén)外框鈑金件和車(chē)門(mén)內(nèi)飾件通過(guò)抽取中面用二維單元來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。車(chē)門(mén)是一個(gè)整體，需將每個(gè)零部件裝配在一起，車(chē)門(mén)系統(tǒng)的連接方式主要有焊接、螺栓螺釘連接、卡扣連接，門(mén)內(nèi)飾板中常用的連接有熔焊、螺釘、自帶的卡扣及其他塑料卡扣等[9]，常用的塑料卡扣有很多種不同的類(lèi)型，像V型卡扣、圓形卡扣等。焊接是車(chē)門(mén)鈑金件之間的連接方式，在Hypermesh中常采用spot來(lái)進(jìn)行模擬;螺栓和螺釘連接都是剛性連接，在Hypermesh中采用剛性連接RBE2來(lái)模擬;門(mén)內(nèi)飾板中的熔焊及自帶卡扣均用剛性連接RBE2模擬，而塑料卡扣則采用RBE3和CBUSH單元結(jié)合的方式模擬，卡扣的剛度值通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。

3 激勵(lì)信號(hào)采集

測(cè)試儀器有LMS試驗(yàn)分析系統(tǒng)軟件LMS Test Lab、LMS SCADAS Mobile 32 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及三向加速度傳感器，試驗(yàn)所采集的加速度信號(hào)要轉(zhuǎn)化為仿真需要輸入的位移信號(hào)，通過(guò)LMS Test Lab軟件將生成的信號(hào)文件轉(zhuǎn)化為rsp格式導(dǎo)出，再通過(guò)Ncode軟件將激勵(lì)信號(hào)由加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)單位轉(zhuǎn)換、濾波、積分、再濾波積分得到仿真輸入的位移信號(hào)，如圖2所示。本文所采集的激勵(lì)信號(hào)的橫紋石塊路的路譜激勵(lì)，采集點(diǎn)為車(chē)身四個(gè)減震器位置。將得到的位移信號(hào)分別處理成csv格式的表格，將三個(gè)激勵(lì)點(diǎn)位置的XYZ方向的激勵(lì)信號(hào)分別存為csv格式的表格。

圖2 ?信號(hào)轉(zhuǎn)換

4 車(chē)門(mén)敲擊異響分析

異響主要包括Buzz（蜂鳴聲）、Rattle（敲擊異響）、Squeak（摩擦異響），而B(niǎo)uzz主要是由單個(gè)部件振動(dòng)引起的異響，本文主要研究敲擊異響，在外力的作用下，兩個(gè)物體之間相互碰撞，彼此有不斷的接觸然后分開(kāi)，即產(chǎn)生了敲擊聲。對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)，敲擊異響的主要激勵(lì)源是路面激勵(lì)，相鄰部件之間的間隙太小、結(jié)構(gòu)松動(dòng)及部件的剛度不足都會(huì)引起車(chē)身異響。車(chē)身部件碰撞的大多數(shù)激勵(lì)是介于脈沖與正弦激勵(lì)之間，屬于寬頻帶的激勵(lì)譜，寬頻帶的激勵(lì)作用在車(chē)身結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的敲擊聲音的頻率也是寬頻帶的。敲擊聲的頻帶取決于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征、激勵(lì)力及聲輻射效率，車(chē)身上的敲擊異響主要頻率范圍在20-2000Hz之間。

根據(jù)上述的敲擊異響的產(chǎn)生機(jī)理，敲擊異響的產(chǎn)生都與相鄰兩運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)位移有關(guān)。所以將相對(duì)位移作為主要的評(píng)價(jià)參數(shù)來(lái)進(jìn)行異響仿真分析。且相對(duì)位移值只有在時(shí)域內(nèi)獲取才有意義，因此使用瞬態(tài)響應(yīng)分析方法來(lái)計(jì)算車(chē)門(mén)有限元模型的相對(duì)位移[10]。敲擊異響分析的是間隙不為零且材料都為硬質(zhì)材料的兩個(gè)部件之間的相對(duì)位移，Rattle計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)方法為：計(jì)算時(shí)域下的相對(duì)位移峰值排序的前30%的最大峰值的平均值，得出每條E-Line上的最大的相對(duì)位移值，與DTS中間隙公差差值作比較，得出是否有發(fā)生敲擊異響的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)DTS和材料的篩選，篩選出間隙不為零的邊界，篩選出車(chē)門(mén)有可能發(fā)生摩擦異響的邊界如圖3所示，其中A11的邊界是前門(mén)除霜風(fēng)口與前門(mén)三角蓋板，A46的邊界前門(mén)下飾板與前門(mén)低音揚(yáng)聲器護(hù)罩，A77的邊界是后門(mén)下飾板與后門(mén)內(nèi)扶手蓋板，A83的邊界是后門(mén)下飾板與后門(mén)低音揚(yáng)聲器護(hù)罩。

圖3 ?車(chē)門(mén)邊界示意圖

本文主要應(yīng)用Hypermesh軟件中的SNRD模塊，采用的求解器為Optistruct求解器，Optistruct求解器是Hyperworks軟件帶有的求解器，計(jì)算速度較快。后處理在Hyperview中進(jìn)行，Hyperview的后處理功能十分強(qiáng)大。敲擊異響的評(píng)價(jià)方法為計(jì)算時(shí)域下相對(duì)位移結(jié)果峰值排序的前30%最大峰值的均值，得出每條E-Line上的最大的相對(duì)位移值Max_P2P，與DTS中間隙公差差值作比較，判斷是否存在風(fēng)險(xiǎn)。分析結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出A11前門(mén)除霜風(fēng)口與前門(mén)三角蓋板在橫紋石塊路激勵(lì)下產(chǎn)生的相對(duì)位移值位于尺寸公差值的范圍之間，有發(fā)生敲擊異響的風(fēng)險(xiǎn)，而其余位置的相對(duì)位移值均小于尺寸公差值的最小值，均無(wú)敲擊異響發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 ?分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)某款汽車(chē)基于內(nèi)飾車(chē)身的車(chē)門(mén)進(jìn)行敲擊異響分析，并將分析結(jié)果與尺寸公差信息相比較，判斷車(chē)門(mén)是否會(huì)發(fā)生敲擊異響以及找出會(huì)發(fā)生敲擊異響的位置，并找出車(chē)門(mén)異響風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為后期試驗(yàn)和優(yōu)化分析提供參考具有重要意義。

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