基于懸置支架動(dòng)剛度分析的整車NVH性能改善研究

1、基于懸置支架動(dòng)剛度分析的整車NVH性能分析及改進(jìn)呂兆平（20400117）（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，柳州 545007）摘要?jiǎng)觿偠戎笜?biāo)是動(dòng)力總成懸置支架等底盤零件NVH性能評(píng)價(jià)體系中的重要考核內(nèi)容，基于有限元分析方法, 利用Altair RADIOSS軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)方法對(duì)懸置支架關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可以得到相關(guān)零件的動(dòng)剛度曲線。通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)剛度分析,可以為車輛NVH性能改進(jìn)提供理論參考，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本，對(duì)于提高車輛NVH性能設(shè)計(jì)水平具有重要的意義。關(guān)鍵詞懸置支架 動(dòng)剛度  頻率響應(yīng)NVH【Abstract】The index of dynam

2、ic stiffness is the important assessment for the performance evaluation system of the chass prats such as powertrain mount bracket, based on method of finite element analysis, the modal frequency response method of Altair RADIOSS software is used to analysis the dynamic characteristic of the critica

3、l points of the mount bracket. Dynamic stiffness analysis is done through the critical points ,it can provide the theoretical reference for the vehicle NVH performance, shorten the development cycle and reduce development costs. It has the great significance for improving the design capability of ve

4、hicle NVH performance.Keywords Mounting bracket;Dynamic stiffness;Frequency response;NVH1 引言隨著消費(fèi)者收入水平的提高，對(duì)汽車產(chǎn)品的舒適性需求越來(lái)越高,從而導(dǎo)致了在整車開發(fā)中對(duì)影響舒適性指標(biāo)的振動(dòng)噪聲提出了更高的設(shè)計(jì)要求。在汽車行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)和路面的激勵(lì)通過汽車底盤上的連接點(diǎn)、車身、座椅以及其它部件,最終影響乘員的NVH主觀感覺。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的隔振效果的是汽車NVH性能的重要影響因素。動(dòng)力總成是汽車的主要噪聲和振動(dòng)源。動(dòng)力總成的振動(dòng)可以通過底盤傳到車身，并可在車內(nèi)產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重地影響到

5、了乘坐的舒適性。汽車很多噪聲和振動(dòng)問題往往都可歸結(jié)到動(dòng)力總成振動(dòng)上。因此動(dòng)力總成懸置支架的動(dòng)態(tài)特性分析顯得非常重要。動(dòng)剛度是動(dòng)載荷下抵抗變形的能力，動(dòng)剛度不足將對(duì)車身結(jié)構(gòu)件疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。整車在行駛過程中，會(huì)受到各種各樣的動(dòng)載荷的作用，當(dāng)動(dòng)載荷與車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性接近時(shí)，即動(dòng)載荷的某分量與車身結(jié)構(gòu)的某階模態(tài)的固有頻率接近時(shí)，將可能引發(fā)結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生較高的動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)的疲勞破壞；動(dòng)剛度對(duì)乘坐舒適性的影響主要表現(xiàn)在NVH性能上，一般而言，車身對(duì)激振源的響應(yīng)越?。ㄈ珥憫?yīng)所產(chǎn)生的振動(dòng)位移越?。琋VH性能越舒適，有經(jīng)驗(yàn)的試車員甚至能夠通過通過NVH主觀評(píng)價(jià)判定車身、

6、懸置支架等結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的不足。通過動(dòng)剛度分析，可以較早的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的不足，如果發(fā)現(xiàn)問題在整車開發(fā)的前期，可以很容易的修改結(jié)構(gòu)，如若在后期發(fā)現(xiàn)問題，則各種車身結(jié)構(gòu)的修改空間很小，僅靠調(diào)整懸置元件的剛度等參數(shù)來(lái)改善汽車動(dòng)態(tài)特性，則增加了解決問題的難度。所以在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)開發(fā)過程中，進(jìn)行懸置支架的動(dòng)剛度分析是非常有必要的。2 動(dòng)剛度基本理論頻率響應(yīng)分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析,預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性,驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)破壞，是計(jì)算線形結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)的方法。對(duì)于線彈結(jié)構(gòu),一般采用粘性阻尼或結(jié)構(gòu)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，阻尼的作用主要是轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的能量，結(jié)構(gòu)阻尼主

7、要是由于不完全彈性的結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)摩擦和在結(jié)構(gòu)的固定連接處，接觸面之間的摩擦力引起的。根據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)形式,對(duì)汽車車身采用結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)。在車身仿真分析中,車身的局部剛度常采用速度導(dǎo)納進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于速度頻率響應(yīng)分析,常把載荷輸入點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)取同一點(diǎn),稱為Driving Point Mobility,簡(jiǎn)稱為Point Mobility。與Mobility密切相關(guān)的一個(gè)概念是動(dòng)剛度，表征了結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下抵抗變形的能力，動(dòng)剛度不足將對(duì)車身疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。一般情況下，在能夠滿足工程要求的基礎(chǔ)上，懸置系統(tǒng)中隔振元件的Mobility設(shè)計(jì)的越高越好，而車身、車架等隔振件的連接件的M

8、obility設(shè)計(jì)的越小越好。在分析動(dòng)剛度時(shí)，一般使用模態(tài)頻率響應(yīng)分析法，模態(tài)頻率響應(yīng)分析的基本流程是先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算，然后調(diào)用模態(tài)計(jì)算的結(jié)果，考察在設(shè)定的所要分析的激振頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。模態(tài)頻率響應(yīng)法計(jì)算響應(yīng)就是利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)變形來(lái)減少方程數(shù)量及解耦運(yùn)動(dòng)方程的。通過模態(tài)頻率響應(yīng)分析可以求出結(jié)構(gòu)在多種頻率下的位移、速度、加速度響應(yīng)，得出響應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析。3 動(dòng)剛度分析方法及有限元建模運(yùn)用基于Altair RADIOSS的模態(tài)頻率響應(yīng)方法可以考察底盤結(jié)構(gòu)對(duì)于整車的中低頻NVH性能的影響，并可指導(dǎo)用于改進(jìn)整車NVH性能的底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施，在設(shè)計(jì)階段解決潛在

9、的NVH問題。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的主要噪聲和振動(dòng)源,發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)可以通過底盤傳到車身,并可在車內(nèi)產(chǎn)生噪音,嚴(yán)重地影響到了乘坐的舒適性。汽車很多振動(dòng)噪聲的問題往往都可歸結(jié)到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)上。因此,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性分析顯得非常重要。發(fā)動(dòng)機(jī)作用在懸置安裝點(diǎn)的載荷大小和方向具有隨汽車運(yùn)行狀態(tài)而在寬頻內(nèi)變化的特征,因而要求該安裝點(diǎn)的剛度特性也應(yīng)具有隨頻率而變化的動(dòng)態(tài)特性,即在低頻內(nèi)具有較大剛度來(lái)滿足由于工況變化和路面不平等低頻沖擊引起的過大位移時(shí)的平衡需要;同時(shí)在中、高頻內(nèi),又要求其剛度不應(yīng)該太大且具有合適的阻尼,以便衰減發(fā)動(dòng)機(jī)傳入車身的振動(dòng)。顯然,傳統(tǒng)的靜態(tài)剛度校核方式不能滿足上述要求,而且該方式也

10、無(wú)法評(píng)價(jià)安裝點(diǎn)對(duì)整個(gè)車身振動(dòng)和噪聲的聲振靈敏度。為了獲得發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)的速度響應(yīng)函數(shù),首先建立底盤結(jié)構(gòu)的有限元模型,并在懸置安裝點(diǎn)施加載荷,然后利用RADIOSS軟件的動(dòng)力分析模塊求解分析。采用Altair RADIOSS軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)方法計(jì)算該安裝點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剛度。本文設(shè)定有限元分析條件如下：材料阻尼取0.06，約束安裝點(diǎn)123456，在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的xyz方向上施加1N的激勵(lì)力,頻率范圍02000HZ,每隔2HZ輸出一個(gè)速度響應(yīng)。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：按照公司商用車標(biāo)準(zhǔn)：支架各方向的動(dòng)剛度應(yīng)該與目標(biāo)線1000N/mm的交點(diǎn)位置應(yīng)該大于400HZ。4 懸置支架動(dòng)剛度分析實(shí)例4.1 研究車型的噪聲現(xiàn)狀我公

11、司CN100配B15車型，從測(cè)試數(shù)據(jù)看在42004600和3200rpm處有明顯的噪音峰值，均超出了目標(biāo)線范圍。如圖所示：圖1造成這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下噪聲峰值的原因，從以下頻譜分析圖可知是由于發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置支架共振操產(chǎn)生的，試驗(yàn)測(cè)得共振頻率分別為288HZ左右，由于該車型所用發(fā)動(dòng)機(jī)位4缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在4200rpm和4600rpm處二階頻率激振恰好是280HZ和307HZ，應(yīng)該是支架動(dòng)剛度不足導(dǎo)致的共振問題。圖242原懸置支架動(dòng)剛度分析針對(duì)上述問題，根據(jù)Altair RADIOSS軟件，建立左懸置支架的有限元模型（見圖），其中網(wǎng)格以四邊形為主，三角形為輔。模型中采用計(jì)算中所使用的材料參數(shù)如下： 鋼的材

12、料參數(shù)：彈性模量：210Gpa，材料密度：7.8e-9ton/mm3，泊松比：0.3。圖3采用Altair RADIOSS軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)方法計(jì)算該安裝點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剛度。本文設(shè)定有限元分析條件如下：材料阻尼取0.06，約束安裝點(diǎn)123456，在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的xyz方向上施加1N的激勵(lì)力,頻率范圍01000HZ,每隔2HZ輸出一個(gè)速度響應(yīng)。獲得原狀態(tài)支架的動(dòng)剛度如下圖所示：圖4從圖上可以看到，懸置支架x向和Y向的動(dòng)剛度在300HZ處上穿了設(shè)計(jì)目標(biāo)線1000N/mm,這兩個(gè)方向的動(dòng)剛度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致了測(cè)試數(shù)據(jù)中280HZ和307HZ的噪聲峰值。要必要提高左側(cè)支架X和y向動(dòng)剛度，減少振動(dòng)傳遞。4.3

13、改進(jìn)方案由于該支架已經(jīng)開模，另外考慮到周邊邊界的約束，只能通過加厚板厚來(lái)提高支架的動(dòng)剛度，這里我們把主板厚度由4mm改為5mm，把加強(qiáng)板1的厚度由4mm該位6mm，重新運(yùn)行Altair RADIOSS求解改進(jìn)方案的動(dòng)剛度，得到的模態(tài)頻率速度響應(yīng)如圖所示：圖5由圖可見，新方案的支架x向和Y向的動(dòng)剛度有了大約100HZ的提高，與1000N/MM的交點(diǎn)提高到400HZ附近，響應(yīng)峰值超過了400HZ,能有效起到隔離振動(dòng)的效果。4.3改進(jìn)方案測(cè)試結(jié)果對(duì)比按照4.2的改進(jìn)方案制作了樣件，裝車進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)支架加強(qiáng)后，其x、y方向共振頻率有明顯提高，對(duì)改善由原來(lái)左支架共振頻率過低所引起的噪聲產(chǎn)生了非常積極的效果。測(cè)試結(jié)果見表。改進(jìn)后該車在4600rpm時(shí)噪音峰值消失，從而對(duì)整車的NVH性能有所改善。圖65 結(jié)論通過計(jì)算實(shí)例分析,可知?jiǎng)觿偠确治隹梢暂^早地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的不足，可以在開發(fā)的前期階段,重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,減少了后期階段設(shè)計(jì)難度。通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)剛度分析,為關(guān)鍵點(diǎn)減振提供了重要的理論依據(jù),同時(shí)可以縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。參考文獻(xiàn)：1 王學(xué)軍，張