某車型儀表板橫梁模態(tài)分析與優(yōu)化

葉勤，夏衛(wèi)群，賀橋利，廖贊學

（東風汽車公司 技術(shù)中心，湖北 武漢430058）

儀表板橫梁是儀表板總成重要組合部件，轉(zhuǎn)向管柱、方向盤總成和安全氣囊等重要環(huán)境件都安裝在橫梁上，因此橫梁在設(shè)計過程中需要考慮足夠的剛性和模態(tài)。文中在設(shè)計過程中采用CAE分析指導(dǎo)儀表板橫梁設(shè)計改善，在考慮重量和成本控制的前提下，分析改善橫梁的模態(tài)，探索提升橫梁一階固有頻率的可行方法。

1 儀表板橫梁模型

1.1 振動性能要求

汽車發(fā)動機怠速時方向盤抖動影響汽車駕駛舒適性，方向盤怠速抖動通常是由于方向盤總成固有頻率與發(fā)動機怠速頻率重疊導(dǎo)致發(fā)生共振。大量工程實踐檢驗得到方向盤與轉(zhuǎn)向管柱的一階固有頻率大于50 Hz［1］，當轉(zhuǎn)向管柱和方向盤自身固有頻率難以繼續(xù)提高時，而轉(zhuǎn)向管柱和方向盤都安裝在儀表板橫梁上，因此提升儀表板橫梁的一階固有頻率是解決共振的一種途徑。

發(fā)動機振動頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)：

式中：f為點火頻率，Hz；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r·min-1；i為氣缸數(shù)；τ為沖程系數(shù)，四沖程為2，二沖程為1。

某車配置四缸四沖程發(fā)動機，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為750±50 r·min-1，開啟空調(diào)時發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為850±50 r·min-1，由此可知發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為700～900 r·min-1；怠速頻率為23.3～30 Hz。為了避免共振，頻率間隔3 Hz，因此儀表板橫梁與方向盤管柱總成的一階固有頻率需大于33 Hz，在考慮橫梁搭載儀表板和其他環(huán)境件后，儀表板橫梁總成的一階固有頻率大約下降5%，因此在設(shè)計儀表板橫梁時設(shè)定一階固有頻率大約為35 Hz。

1.2 橫梁CAE分析模型

儀表板橫梁為等直徑直管，充分考慮空調(diào)、轉(zhuǎn)向管柱、安全氣囊、風道等相關(guān)環(huán)境件的安裝和間隙。橫梁總成搭載轉(zhuǎn)向管柱、方向盤總成、駕駛側(cè)安全氣囊、組合開關(guān)、點火鎖等環(huán)境件，共52 3046個網(wǎng)格單元。有限元分析過程中，截取白車身部分模型，對模型的邊緣處進行全約束，使CAE分析盡量模擬實際裝車環(huán)境（圖1）。

圖1 儀表板橫梁CAE分析模型

2 儀表板橫梁CAE分析優(yōu)化

對儀表板橫梁和轉(zhuǎn)向管柱總成進行第1 輪CAE模態(tài)分析，結(jié)果如圖2所示。第1輪CAE分析橫梁總成一階模態(tài)固有頻率為31.1 Hz，二階模態(tài)固有頻率為35.4 Hz，不滿足要求，需要繼續(xù)加強橫梁和車身對橫梁的固定支架。

圖2 第1輪CAE分析

圖3 第1輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)第1 輪數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對橫梁進行優(yōu)化（圖3a），由于一階段模態(tài)是方向盤上下振動，因此需要優(yōu)化橫梁垂直方向的剛性：加強橫梁自身垂直方向剛性；加強橫梁總成在垂直方向上固定結(jié)構(gòu)的剛性。具體措施如下：1）增加垂直支架和主梁料厚，由1.2 mm增加到1.5 mm；2）增加橫梁垂直方向上固定點的剛性，即在上部橫梁與白車身固定點處、白車身上增加1 個加強板用于加強固定點剛性；3）增加橫梁垂直支架下固定點，由1 個螺栓改為2個螺栓固定（圖3b）。

圖4 第2輪CAE分析

將優(yōu)化后橫梁數(shù)據(jù)進行第2 輪CAE 分析（圖4）：橫梁與轉(zhuǎn)向柱方向盤總成一階模態(tài)固有頻率由31.1 Hz 提高到34 Hz，改善明顯，因此改善一階模態(tài)需要提升轉(zhuǎn)向柱上下振動的支持剛性，改善橫梁垂直方向支架和增加與白車身固定點安裝剛性的改善方向是正確的，但還需要繼續(xù)優(yōu)化使得一階模態(tài)逼近35Hz；二階模態(tài)固有頻率為37.6Hz。

為了提升總成一階模態(tài)，需要繼續(xù)增強轉(zhuǎn)向管柱安裝結(jié)構(gòu)剛性，如圖5 所示，修改轉(zhuǎn)向管柱上固定支架加強板，料厚由1.2 mm 增加到1.5 mm，將管柱上部固定點下安裝支架的加強筋延長到下部U向支架處；同時增加轉(zhuǎn)向管柱下固定點U型支架料厚，由2.5mm增加到3.2mm。

圖5 第2輪橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 第3輪CAE分析橫梁一階模態(tài)

將第2輪優(yōu)化后的橫梁再次進行CAE分析，橫梁一階模態(tài)固有頻率由34Hz提升到34.4Hz（圖6），逼近目標值35 Hz?？紤]到繼續(xù)改善增加橫梁質(zhì)量但是模態(tài)提升值變化不大，因此確定橫梁總成模態(tài)固有頻率為34.4Hz，基本滿足要求。

3 試驗驗證

根據(jù)汽車整車及總成模態(tài)試驗方法，采用錘擊法對試制樣車進行試驗，方向盤轉(zhuǎn)向管柱和儀表板總成安裝在整車上，在方向盤12點位置分別進行Z向和X向激勵試驗見圖7 a～7 b，結(jié)果見圖7 c～7 d。Z向激勵試驗中一階模態(tài)固有頻率為35.91 Hz、二階模態(tài)未激發(fā)出來，如圖7 d 所示。方向盤轉(zhuǎn)向管柱與儀表板橫梁總成系統(tǒng)頻率響應(yīng)測試結(jié)果均高于目標值35Hz，滿足要求。

圖7 方向盤12點位置激勵試驗及試驗結(jié)果

4 結(jié)論

文中首先分析方向盤和轉(zhuǎn)向管柱自身的模態(tài)，在保證方向盤自身模態(tài)滿足要求的情況下考慮加強橫梁總成和車身安裝結(jié)構(gòu)。通過CAE 分析，方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、儀表板橫梁和白車身安裝總成一階模態(tài)通常是上下振動，因此改善橫梁垂直支架和垂直方向的固定點剛性是正確的優(yōu)化方向，通過試驗驗證，文中橫梁的優(yōu)化方案滿足設(shè)計要求。