汽車(chē)儀表板異響仿真優(yōu)化及試驗(yàn)研究

朱翔麟，許 翔，謝 然，張 華，李文奇

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣州511434）

異響性能是汽車(chē)NVH性能的重要組成部分，是影響乘坐舒適性的關(guān)鍵因素之一。儀表板作為整車(chē)內(nèi)飾中的重要組成部分，其異響性能直接影響著乘客對(duì)汽車(chē)品質(zhì)的印象，當(dāng)其相鄰部件在激勵(lì)下產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，可能引起摩擦異響與敲擊異響[1]（Squeak and rattle,S&R）。為了在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期預(yù)防異響問(wèn)題，一些學(xué)者總結(jié)出系統(tǒng)的異響分析方法，如對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)、剛度、靈敏度的控制。甘志常[2]認(rèn)為儀表板模態(tài)頻率如果與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率重合，將因振動(dòng)產(chǎn)生異響。在開(kāi)發(fā)前期須對(duì)儀表板系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化工作，并進(jìn)行了相關(guān)的模態(tài)試驗(yàn)。郭佑民等[3]對(duì)儀表板進(jìn)行了模態(tài)、靈敏度分析，并對(duì)比了道路、四通道主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，展示了一套系統(tǒng)性的儀表板異響問(wèn)題評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。李穎琎等[4]通過(guò)對(duì)儀表板結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行優(yōu)化來(lái)減少部件之間發(fā)生碰撞和摩擦的機(jī)會(huì)，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。魏秋君[5]利用仿真方法對(duì)儀表板卡扣安裝點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)傳遞分析，判斷可能產(chǎn)生異響的卡扣位置，通過(guò)優(yōu)化來(lái)降低卡扣安裝點(diǎn)的速度響應(yīng)，從而減少異響的發(fā)生。

利用仿真分析，計(jì)算模態(tài)、剛度、靈敏度等相關(guān)參數(shù)，均為間接的控制異響問(wèn)題的方法，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、計(jì)算簡(jiǎn)單及對(duì)模型要求低，但這些方法無(wú)法直觀地顯示異響結(jié)果，并且需要經(jīng)驗(yàn)判斷異響的情況。本文采用一種新的異響仿真方法——異響評(píng)價(jià)線（S&R evaluation line）法，簡(jiǎn)稱E-line 法。該方法可在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期，通過(guò)輸入試驗(yàn)場(chǎng)典型路面路譜進(jìn)行頻響分析，計(jì)算部件間的相對(duì)位移，結(jié)合評(píng)估部位的設(shè)計(jì)間隙，判斷異響風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。該方法將仿真結(jié)果與實(shí)際問(wèn)題直接關(guān)聯(lián)，直觀地顯示鄰近系統(tǒng)、部件的異響的情況，分析的結(jié)論更有指導(dǎo)性。

本文針對(duì)某SUV的儀表板總成，利用CAE分析技術(shù)結(jié)合E-line 方法進(jìn)行敲擊異響的識(shí)別與控制，提出了修改卡扣連接以及增加限位筋的優(yōu)化方案，降低了敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)率，通過(guò)四立柱異響主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)證明了優(yōu)化方案的有效性。

1 異響識(shí)別與評(píng)估方法

1.1 E-line方法

汽車(chē)敲擊異響的主要激勵(lì)源是通過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞來(lái)的路面激勵(lì)。在外界激勵(lì)的作用下，相鄰兩物體會(huì)發(fā)生碰撞產(chǎn)生類(lèi)似咔嗒聲的敲擊聲。敲擊異響主要與部件之間接觸面法向運(yùn)動(dòng)有關(guān)[8]。因此以相對(duì)位移為主要評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行敲擊異響識(shí)別與分析。

為了得到準(zhǔn)確的相對(duì)位移值，在部件間隙處建立一條以節(jié)點(diǎn)對(duì)組成的異響評(píng)價(jià)線，稱為E-line。ELine上節(jié)點(diǎn)對(duì)的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于待評(píng)價(jià)部件的表面上，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于其相鄰部件的表面上。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)都定義在各自沿部件表面建立的局部坐標(biāo)系當(dāng)中，局部坐標(biāo)系Z向?yàn)橄噜彶考g隙方向，局部坐標(biāo)系XY 平面為相鄰部件接觸平面。對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)，定義C-BUSH 單元來(lái)連接兩部件。C-BUSH單元可以定義剛度，是一種彈性連接單元，其兩端節(jié)點(diǎn)的位移將被用于敲擊異響的仿真分析當(dāng)中。Eline 法采用Z 向（接觸面法向）位移作為敲擊異響分析的指標(biāo)。

相對(duì)位移只有在時(shí)域內(nèi)獲取和分析才有意義，所以使用瞬態(tài)響應(yīng)分析方法計(jì)算模型的相對(duì)位移。通過(guò)實(shí)際路面采集的路譜信號(hào)進(jìn)行頻響分析，頻率響應(yīng)能定量地表征模型或者系統(tǒng)的特點(diǎn)，得到的結(jié)果是由帶有幅值和相位的向量構(gòu)成，它可以作為一個(gè)頻率響應(yīng)函數(shù)。計(jì)算得到兩組件間隙方向的相對(duì)位移值后，與間隙尺寸信息（DTS）文件中的間隙尺寸信息比較，判斷是否有敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)率

為了對(duì)異響問(wèn)題進(jìn)行量化分析，利用風(fēng)險(xiǎn)率來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)是否達(dá)到目標(biāo)要求。風(fēng)險(xiǎn)率的評(píng)估主要根據(jù)“小概率事件”基本思想以及“3σ”原則概率統(tǒng)計(jì)方法，“小概率事件”認(rèn)為事件發(fā)生的概率小于5%，則該事件在一次試驗(yàn)中是不會(huì)發(fā)生的。正態(tài)分布的“3σ”原則是把區(qū)間（μ-3σ，μ+3σ）看作是隨機(jī)變量X實(shí)際可能的取值區(qū)間，X落在（μ-3σ，μ+3σ）以外的概率小于千分之三，所以在實(shí)際問(wèn)題中常認(rèn)為該事件是幾乎不可能發(fā)生的。

DTS 文件中的間隙公差滿足以間隙G 為均值，以公差T為3σ的正態(tài)分布假設(shè)，計(jì)算相對(duì)位移在該正態(tài)分布的概率即為風(fēng)險(xiǎn)率。評(píng)價(jià)方法為：風(fēng)險(xiǎn)率小于1 %為小風(fēng)險(xiǎn)，1 %～10 %為中等風(fēng)險(xiǎn)，大于10%為大風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)率超過(guò)1%的間隙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 儀表板異響仿真分析

采用Hyper Works SnRD 平臺(tái)進(jìn)行異響分析，該平臺(tái)可自動(dòng)從OptiStruct 求解器得到的結(jié)果文件中判斷出異響的危險(xiǎn)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了從模型創(chuàng)建到結(jié)果可視化的整個(gè)異響仿真流程。

2.1 儀表板異響仿真模型

本文分析的異響仿真模型為帶儀表板系統(tǒng)的整備車(chē)身模型，如圖1所示。其中儀表板系統(tǒng)包含儀表板總成、副儀表板總成、儀表板橫梁總成等。

圖1 帶儀表板系統(tǒng)的整備車(chē)身模型

首先確定敲擊異響分析的重點(diǎn)關(guān)注部位，例如，硬質(zhì)材料與硬質(zhì)材料相互碰撞可能產(chǎn)生敲擊聲。然后采用Hyper Works 的SnRD 模塊對(duì)儀表板所關(guān)注的各間隙建立E-line，如圖2所示。同時(shí)獲取相鄰部件的DTS 數(shù)據(jù)，即間隙和公差，以便后處理時(shí)直接與相對(duì)位移對(duì)比。如IP23 為檢修口與駕駛下飾板邊界，間隙值為1.5 mm，公差為0.5 mm。IP25 一鍵啟動(dòng)面板與駕駛下飾板邊界，間隙值為0.5 mm，公差值為0.5 mm。

圖2 儀表板有限元分析邊界示意圖

每條E-line由CBUSH單元和RBE3單元連接的節(jié)點(diǎn)對(duì)組成。為了使計(jì)算出的相對(duì)位移更符合實(shí)際，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)建立局部坐標(biāo)系，定義接觸平面為XY平面，接觸面的法向?yàn)閆向，如圖3所示。分析敲擊異響時(shí)，CBUSH單元在局部坐標(biāo)X、Y、Z向的剛度值均設(shè)置為0。

圖3 E-line建模

2.2 路譜采集

在試驗(yàn)場(chǎng)典型路面進(jìn)行實(shí)車(chē)載荷采集，對(duì)每個(gè)車(chē)身減震器安裝點(diǎn)測(cè)取XYZ 三向加速度信號(hào)，然后進(jìn)行濾波迭代等處理，得到在有限元模型中加載的時(shí)域強(qiáng)迫位移信號(hào)，如圖4所示。

圖4 位移激勵(lì)信號(hào)

位移信號(hào)的加載點(diǎn)為有限元模型中的減震器安裝點(diǎn)。SnRD 模塊會(huì)在加載點(diǎn)處自動(dòng)生成SPC 和SPCD 兩種約束，此時(shí)需要將SPC 下的約束變?yōu)槿s束，SPCD 下的約束方向?yàn)榧虞d方向，選擇XYZ 向加載。

2.3 求解設(shè)置

本次異響分析需要設(shè)置兩個(gè)工況，一個(gè)工況為模態(tài)求解，另一個(gè)工況為時(shí)域內(nèi)的頻率響應(yīng)計(jì)算。設(shè)置求解頻率范圍0 Hz～80 Hz。設(shè)置輸出響應(yīng)類(lèi)型為節(jié)點(diǎn)位移。

前處理完成后，提交OptiStruct求解器計(jì)算。計(jì)算完成后將結(jié)果文件導(dǎo)入HyperView進(jìn)行后處理。

2.4 結(jié)果分析

在敲擊異響分析結(jié)果中，只取較大的部分相對(duì)位移值，因此引入百分比峰值概念，將E-line時(shí)域上計(jì)算的相對(duì)位移結(jié)果進(jìn)行排序，取前30%的最大值求得均值，即為該E-line 上最大的相對(duì)位移值。分析邊界中各節(jié)點(diǎn)在載荷激勵(lì)下的相對(duì)位移云圖如圖5所示。

圖5 相對(duì)位移分析結(jié)果

由于分析敲擊異響，提取每條間隙的Z 向最大相對(duì)位移值，根據(jù)DTS 文件中對(duì)應(yīng)的間隙公差值，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)率，如表1所示。

表1 IP各邊界敲擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估匯總表/mm

由上表可知，在典型異響試驗(yàn)路面的激勵(lì)下，主儀表板分析邊界IP25、IP35的相對(duì)位移風(fēng)險(xiǎn)率較高，大于1%，需要進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化措施

3.1 結(jié)果改進(jìn)方案

適用于敲擊異響的優(yōu)化方向主要有：加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度；優(yōu)化卡扣的連接位置；調(diào)整初始間隙值；增加限位結(jié)構(gòu)。根據(jù)對(duì)上述結(jié)果分析總結(jié)導(dǎo)致相對(duì)位移較大的原因，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求考慮方案的可實(shí)施性，提出如下改進(jìn)方案：

（1）針對(duì)組合儀表護(hù)板和裝飾亮條之間相對(duì)位移超標(biāo)，在裝飾亮條內(nèi)部如圖6所示位置增加限位結(jié)構(gòu)，限制邊界在整體坐標(biāo)系下X 向的相對(duì)位移。該山字形限位筋厚度1.2 mm，并設(shè)計(jì)導(dǎo)向斜面，有利于增加限位筋強(qiáng)度。

（2）在一鍵啟動(dòng)面板增加一處螺釘與IP骨架連接，如圖7所示。來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部剛度，減小此處產(chǎn)生間隙的變形。將上述改進(jìn)方案同時(shí)實(shí)施后，重新進(jìn)行計(jì)算分析。

圖6 邊界IP25優(yōu)化方案

圖7 邊界IP35優(yōu)化方案

3.2 優(yōu)化后結(jié)果分析

圖8、圖9表示分析邊界IP25、IP35 各節(jié)點(diǎn)對(duì)的相對(duì)位移，在Rattle分析中只關(guān)注Z向曲線，虛線、實(shí)線分布表示優(yōu)化前和優(yōu)化后的Z 向曲線相對(duì)位移值。從上述折線圖中可以看到：提出的改進(jìn)方案起到了抑制組合儀表護(hù)板和裝飾亮條間隙，一鍵啟動(dòng)面板和駕駛側(cè)下護(hù)板間隙的相對(duì)位移作用。采用以上優(yōu)化方案后邊界IP25、IP35 的敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)率小于1%，存在敲擊異響危險(xiǎn)的區(qū)域消除，說(shuō)明上述改進(jìn)方案有良好的抑制敲擊異響的效果，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖8 IP25優(yōu)化前后相對(duì)位移折線圖

圖9 IP35優(yōu)化前后相對(duì)位移折線圖

表2 優(yōu)化后各邊界敲擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估匯總表

4 整車(chē)四立柱異響試驗(yàn)

將車(chē)輛固定在四立柱設(shè)備上，如圖10所示。該激振臺(tái)由四個(gè)激振器組成，分別為四個(gè)輪胎傳遞振動(dòng)，本次試驗(yàn)采用實(shí)車(chē)采集的載荷譜為輸入信號(hào)，專業(yè)評(píng)價(jià)人員可以坐在車(chē)內(nèi)仔細(xì)并且清晰地聽(tīng)到異響發(fā)生的部位，與路試相比，可以對(duì)異響部位進(jìn)行更精準(zhǔn)的識(shí)別[9]。進(jìn)一步確定異響根本原因，綜合評(píng)估得出最可行并且成本最低的方案進(jìn)行改進(jìn)[10]。

圖10 整車(chē)四立柱激振臺(tái)

為模擬車(chē)輛在極限氣候下的異響情況，試驗(yàn)分為三種工況，分別是常溫、低溫和高溫。在動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)前，車(chē)輛應(yīng)在環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行浸泡，浸泡是指把整車(chē)在將要試驗(yàn)的環(huán)境溫度下靜置。為使試驗(yàn)車(chē)上各個(gè)部件都能達(dá)到環(huán)境溫度，車(chē)輛應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)溫度下放置一定時(shí)間，

對(duì)該車(chē)型的兩臺(tái)整車(chē)分別進(jìn)行四立柱異響試驗(yàn)，記錄出現(xiàn)問(wèn)題的車(chē)輛與問(wèn)題具體描述等信息。得到的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果中與儀表板有關(guān)的問(wèn)題點(diǎn)共3項(xiàng)，其中問(wèn)題1為裝配問(wèn)題，其余為設(shè)計(jì)問(wèn)題，經(jīng)整改后異響問(wèn)題均消除。詳細(xì)信息匯總?cè)绫?所示。

表3 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)與仿真分析結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)方案后，各分析邊界均未發(fā)生異響。為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)的一致性，將樣車(chē)調(diào)整至優(yōu)化前狀態(tài)，即拆卸一鍵啟動(dòng)面板處增加的螺釘，再次進(jìn)行四立柱異響試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在四立柱低溫評(píng)價(jià)時(shí)，一鍵啟動(dòng)面板附近有嗒嗒聲出現(xiàn)，將一鍵啟動(dòng)面板和駕駛側(cè)下護(hù)板用毛氈隔離后異響消失。該問(wèn)題點(diǎn)對(duì)應(yīng)IP35 間隙分析結(jié)果。直接驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文展示了一套系統(tǒng)性的儀表板敲擊異響問(wèn)題研究方法：

（1）在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期，仿真評(píng)估儀表板各間隙出現(xiàn)異響的風(fēng)險(xiǎn)率，通過(guò)增加限位結(jié)構(gòu)與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接，控制部件間的相對(duì)位移，以減小敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)；

（2）在后期樣車(chē)調(diào)教階段，進(jìn)行了整車(chē)四立柱異響試驗(yàn)，確認(rèn)異響風(fēng)險(xiǎn)位置并查找原因，經(jīng)整改后異響問(wèn)題均消除；

（3）異響評(píng)估的各邊界在試驗(yàn)中均未發(fā)生異響，與仿真結(jié)果相符。若未采用優(yōu)化方案，邊界IP35在四立柱低溫評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)生異響，進(jìn)一步驗(yàn)證了該仿真分析方法的必要性。

因此，將該方法納入到整車(chē)異響正向開(kāi)發(fā)流程，可以在設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)異響問(wèn)題，提出改進(jìn)方案，將大大減少后期驗(yàn)證階段出現(xiàn)的問(wèn)題，節(jié)省工程開(kāi)發(fā)的費(fèi)用和時(shí)間。