某重型牽引車擋泥板怠速抖動改善

摘" 要：針對某重型牽引車怠速擋泥板抖動問題，首先進行怠速振動測試和模態(tài)試驗識別振動原因，然后通過有限元的模態(tài)和頻響分析對結(jié)構(gòu)振動問題進行解析，為拓撲優(yōu)化提供改善方向。經(jīng)過實車驗證，優(yōu)化方案效果明顯。同時提出RSS值評價法，讓主觀評價維度更加全面，更好反應(yīng)主客觀關(guān)聯(lián)性。

關(guān)鍵詞：擋泥板；怠速抖動；RSS

中圖分類號：U467" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0075-06

Improvement on Idle Vibration of Heavy-duty Commerical Vehicle Fender

XIA Yu-fang， YANG Shao-gang， CAO Yuan， LIU Zong-sheng， DONG Li-ming

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： Aiming at the vibration problem of the fender of a heavy tractor at idle speed， the causes of vibration are identified by idle vibration test and modal test， and then the structural vibration problem is analyzed by finite element modal and frequency response analysis， which provides an improvement direction for the topology optimization of the fender structure. After real vehicle verification， the optimization scheme has obvious effect. At the same time， the RSS value analysis method of objective data is proposed， which enhances the consistency of subjective and objective evaluation.

Key Words： Idle Vibration; Fender; RSS

引" " 言

隨著商用車市場競爭日趨激烈，用戶對車輛的舒適性要求越來越高。怠速振動特性投入大量人力物力，以駕駛室室內(nèi)振動為主的特性目標(biāo)項，還包括了底盤附件和車身外掛附件，振動性能提升明顯。某重型牽引車在開發(fā)過程，出現(xiàn)怠速550rpm前輪右側(cè)擋泥板目視可見抖動，舒適性主觀評價不能接受，影響產(chǎn)品性能。通過試驗和仿真相結(jié)合的方式，改善了擋泥板抖動問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量，為客戶提供可靠的產(chǎn)品。

1" " 擋泥板怠速抖動原因分析

為了客觀評價該擋泥板抖動情況，針對怠速工況下對擋泥板進行了振動加速度怠速振動測試，傳感器傳感器按整車坐標(biāo)系布置在擋泥板本體上端、擋泥板本體下端、擋泥板支架端部和車架連接處，如圖1所示。試驗測得擋泥板的振動頻譜數(shù)據(jù)如圖2所示，怠速工況下影響擋泥板抖動的主要頻率為28Hz左右。

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，該車型怠速工況下?lián)跄喟灞倔wX向和Y向的加速度值均較大，遠遠超過擋泥板支架和車架連接點處振動水平，超過1g。

為找出怠速工況下?lián)跄喟逭駝拥脑?，使用錘擊法對擋泥板進行了模態(tài)測試。試驗測得的擋泥板存在模態(tài)頻率為26.2Hz整體X向一階彎曲振型和28.9Hz擋泥板右下端角X向一階彎曲振型，振型分別如圖3和圖4所示。擋泥板的這兩階模態(tài)頻率與怠速振動測試的主頻27.5接近。

此牽引車型為四沖程直列六缸發(fā)動機，主要激勵來自于發(fā)動機三階點火激勵。發(fā)動機怠速工況下1階振動頻率計算公式如下：

（1）

其中：f為發(fā)動機點火激勵頻率，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，c為發(fā)動機缸數(shù)，d為沖程數(shù)。

3階激振頻率為3×f1，由于怠速轉(zhuǎn)速為550RPM，故發(fā)動機激勵頻率為27.5Hz。該車型怠速時擋泥板抖動主要是由于擋泥板固有頻率（26.2 Hz、28.9Hz）和發(fā)動機3階激勵頻率（27.5Hz）耦合，發(fā)生了共振。

2" " 仿真模型建立與對標(biāo)

2.1" "擋泥板總成有限元模型建立

建立擋泥板總成在整車下的有限元模型，模型包括擋泥板本體、擋泥板本體、擋泥板支架和車架模型，如圖5。模型的主要材料參數(shù)如表2所示：

2.2" "模態(tài)分析及對標(biāo)

擋泥板總成安裝在光車架上進行整車狀態(tài)下的模態(tài)分析，如圖6。車架板簧全約束，計算提取0-40Hz內(nèi)的約束模態(tài)。

擋泥板模態(tài)仿真和試驗對比結(jié)果，如表3。試驗和仿真的各階模態(tài)頻率和振型基本吻合，相對誤差保持在5%以內(nèi)，確保了所建有限元模型的可靠性和準(zhǔn)確性，為下一步模型優(yōu)化提供支持，模態(tài)振型如圖7所示：

3" " 擋泥板結(jié)構(gòu)改善

3.1" "擋泥板結(jié)構(gòu)頻響分析

對擋泥板進行頻響分析，研究其動態(tài)特性。在怠速工況下車架端以Y向和Z向振動為主，因此在擋泥板安裝支架車架端連接點的Y向和Z向分別施加單位力激勵，響應(yīng)點為擋泥板關(guān)注位置10個點，如圖8。由于輸入激勵為單位激勵，因此該頻率響應(yīng)分析也可以叫傳遞函數(shù)分析，主要考察擋泥板在關(guān)注點的振動特性，為擋泥板優(yōu)化方案提供依據(jù)。

圖8中頻響分析結(jié)果顯示原方案擋泥板響應(yīng)點的曲線存在28Hz峰值，與發(fā)動機怠速27.5Hz激勵頻率有耦合風(fēng)險，需要改進28Hz響應(yīng)峰值。通過對該峰值點進行模態(tài)貢獻量分析，確定該頻率點的響應(yīng)主要是第4階和第5階模態(tài)所決定，也就是前面模態(tài)分析中找出的兩個會引起共振的模態(tài)頻率。分析第4階和第5階模態(tài)振型，以擋泥板塑料板變形為主。分析頻響結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所有響應(yīng)點的X向幅值明顯大于Y向和Z向。

3.2" "擋泥板改善方案

運用拓撲優(yōu)化，優(yōu)化擋泥板第4階和第5階模態(tài)，使這兩階模態(tài)避開發(fā)動機怠速激勵頻率4Hz，得到最優(yōu)的加強筋分布。

優(yōu)化步驟：

（1）定義響應(yīng)：擋泥板第5階模態(tài)；擋泥板頻響分析響應(yīng)點的頻響。

（2）定義設(shè)計約束：擋泥板第5階模態(tài)下限為32Hz。

（3）定義設(shè)計目標(biāo)：擋泥板頻響分析響應(yīng)點的最大頻響最小化。

優(yōu)化結(jié)果如上圖9所示，拓撲優(yōu)化結(jié)果為設(shè)計提供了改善方向，改善方案主要包括采用擋泥板本體和防飛濺一體化結(jié)構(gòu)、增加支架、加厚板厚和加強筋等，如圖10所示：

3.3" "改善方案仿真分析

對改善方案的設(shè)計模型進行模態(tài)和頻響分析。模態(tài)分析結(jié)果表明改善方案滿足避開怠速發(fā)動機激勵頻率4Hz目標(biāo)要求，如表4所示。

頻響分析對比結(jié)果，改善方案在28Hz響應(yīng)峰值基本消除，如圖11所示：

4" " 試驗驗證

4.1" "主觀評價

對右前擋泥板改善前后的怠速振動進行了主觀對比試驗。3名試驗員通過觀察、觸摸考察擋泥板總成改善前后振動水平完成主觀打分。改善方案振感小，主觀評價6.5分，較原方案5.5分改善明顯，有效的解決了擋泥板怠速抖動問題，如表5。

4.2" "客觀測試

對擋泥板本體上端、擋泥板本體下端、擋泥板支架和車架端進行怠速振動測試，獲得測點的3向振動加速度RMS值，但同一個測點在不同方向的改善效果不同，如圖13所示：

為了讓主觀評價維度更加全面，更好反應(yīng)主客觀關(guān)聯(lián)性，采用RSS值評價。RSS是將測點不同方向的振動值進行均方根，得到一個振動綜合值，通過該值來評價總體振動水平。

使用RSS值評價法，擋泥板下端原方案為14.58m/s2，改善方案降低至9.8m/s2，與主觀評價結(jié)果一致，如圖14所示。擋泥板上端和下端振動加速度RSS值小于10m/s2，主觀評價的目視可見抖動問題不易出現(xiàn)。

5" " 結(jié)論

1.通過模態(tài)和頻響測試能夠快速識別振動問題產(chǎn)生的原因，結(jié)合有限元的頻響和模態(tài)貢獻量分析方法，可以給設(shè)計提供有效的解決方案。

2.該案例采用RSS值評價，避免了客觀測試在同一個測點的改善效果無法評價問題，讓主觀評價維度更加全面，更好反應(yīng)主客觀關(guān)聯(lián)性。

3.通過實車主觀驗證及客觀測試，擋泥板優(yōu)化方案主觀評價6.5分，客觀測試評價點的振動幅值降低35%，主客觀都滿足振動改善要求。

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專家推薦語

吳道俊

合肥工業(yè)大學(xué)" 博士

廈門金龍客車" 高級工程師

本文針對某重型牽引車怠速擋泥板抖動問題，進行了怠速工況的振動和模態(tài)試驗，研究振動原因，基于有限元建模與分析，對標(biāo)試驗結(jié)果，確定模型有效性，并完成拓撲優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，通過主客觀試驗和評價，確定了改進方案的有效性。相關(guān)的研究方法和過程對擋泥板等結(jié)構(gòu)的振動問題的解決，具有較好的工程指導(dǎo)意義。