某车前副车架模态分析与改进

孙风蔚，徐 昊，陈杰龙，金爱君，李宏华，赵福全

（吉利汽车研究院，浙江，杭州 311228）

汽车底盘的性能直接关系到整车的舒适性和操纵性，而舒适性和操纵性二者有时候是相互制约、相互矛盾的，副车架的设计就是为了协调汽车的舒适性和操纵性[1]。副车架是支承车桥和悬挂支架的重要承载部件，与车身和悬架系统相连，提高悬架系统的连接刚度，阻隔动力总成、路面激励产生的振动和噪声直接传入车厢内，提高整车的舒适性[2-7]。在汽车行驶过程中，副车架的固有振动频率与外界激励接近时，会引发共振现象，导致车内产生大的振动和噪声，影响整车的舒适性，因此副车架自身的结构设计及其与安装件的连接强度对车辆的舒适性和行驶平顺性有重要的影响[8]。通过模态性能分析，可以得出副车架结构的固有频率和固有振型，进而分析其动态响应频率，避免共振现象的产生[9-10]。本文通过对前副车架进行模态性能分析及问题解决，为今后副车架、车架的模态分析及相关结构件的结构设计提供参考。

1 问题描述

图1是某车的前副车架结构示意图。从图中可以看出该前副车架由前轴左摆臂安装支架总成、前轴安装支架总成、前轴上板总成、前轴安装支架总成（左右对称）、前轴右摆臂安装支架总成、前轴前下板、前轴后下板总成一共7部分组成。该车的前副车架在整车状态模态性能测试试验中，自由状态下的一阶弯曲模态频率为181.5 Hz，安装状态下的一阶弯曲模态频率为118.6 Hz。模态性能较差，不符合整车性能要求，因而需要对前副车架的模态性能进行改善。

2 原因分析

根据上述模态性能试验测试的结果，可以推断出该问题可能涉及到前副车架自身的问题和与其安装的车身结构件刚度问题，因此需要对前副车架的自由状态、刚性约束状态、安装状态分别再进行CAE分析和对比，便于确认问题的根本原因所在，进而改善该车前副车架的模态性能。

2.1 自由状态下的模态分析

忽略橡胶衬套的影响，对前副车架的自由状态进行CAE模拟弯曲模态分析，模拟结果如图2所示。图2是自由状态下的一阶弯曲模态位移图，从图中可以看出在变形过程中，前副车架各部分的位移情况，不同的颜色代表变形过程中不同的位移量，该图中显示最大位移量和最小位移量分别是2.859E+01（以红色显示）、1.582E-01（以蓝色显示），二者的差值为2.843E+01。此外，有限元模态分析结果显示，前副车架在自由状态下一阶弯曲模态频率为186.7 Hz，略高于试验值181.5 Hz。

2.2 刚性约束状态下的模态分析

忽略橡胶衬套的影响，对前副车架的刚性约束状态进行一阶弯曲模态分析，如图3所示。从位移变形图可以看出在变形过程中，前副车架的最大位移量和最小位移量分别是1.498E+01、0.000E+00，二者差值为1.498E+01，这与自由状态下的位移差值相比，明显减少，说明受约束限制，位移量大小减少，振动幅度降低。在刚性约束状态下，前副车架模态分析结果显示，其一阶弯曲模态频率为206.7 Hz，比自由状态下的频率值高，这可能是刚性约束状态下位移量大小减少和振动幅度降低，导致振动频率增加的原因。

2.3 安装状态下的模态分析

前副车架在安装状态下的分析模型是白车身和前副车架，其一阶弯曲模态位移图如图4所示。从图中可以看出，安装状态下的前副车架最大位移量和最小位移量分别是5.459E+00、6.358E-02，二者差值为5.395E+00。振动幅度相对自由状态下，刚性约束状态下的振动幅度均明显减少。这可能是受前副车架与车身搭接件的连接关系限制所致。图5是前副车架在安装状态下的频率响应曲线，图中显示最大峰值处是122.4 Hz，略高于试验值118.6 Hz。此外，该频率值高于自由状态下的186.7 Hz，而远低于刚性约束状态下的206.7 Hz，这与通常情况下振动幅度降低而振动频率会增加的原则不相符。因此，这说明在安装状态下，前副车架与车身搭接件的安装处刚度问题是决定前副车架振动频率高低的主要原因。图5中显示的安装状态下前副车架模态频率远低于刚性约束条件下的频率，因此这可以说明是由于车身与前副车架的安装处刚度不足，导致安装状态下的前副车架振动幅度较小且频率较低，模态性能较差，不满足相关法规要求。

3 优化方案

针对上述模态性能存在问题的原因，本文分别采用直接和间接方法进行了4种优化设计方案的分析和对比。方案1是延长前副车架内加强板长度至120 mm，用以直接提高前副车架的抗弯性能，如图6所示；方案2是延长前地板纵梁至90 mm，用以提高前副车架与车身连接处的刚度，如图7中紫色件所示；方案3是改善散热器连接框架的结构，新增加两个厚度为2.0 mm的散热器左右立柱加强板（图中红色搭接件），同时散热器上下横梁板厚由原先的0.8 mm更改为1.5 mm，散热器左右立柱板厚由原先的1.0 mm更改为1.5 mm，用以提高前纵梁的刚度性能，进而提高前副车架与车身连接处的刚度，如图8所示；方案4是将方案1、2、3组合后，进行综合效果分析。

图9是根据以上4种优化设计方案并参考原方案，在安装状态下进行前副车架模态分析的频率响应曲线，从图中可以看出原方案的一阶弯曲模态频率最低（122.4 Hz），改进方案后的模态频率均有所提高，方案1提高到126 Hz，方案2提高到128 Hz，方案3和方案4提高到130 Hz，这说明方案3的优化设计结果对前副车架在安装状态下的模态性能影响最大，频率提高效果最明显。因此采用该方案的设计方法，通过改善散热器连接框架的结构，可以很好地改善前副车架弯曲模态的性能，进而最终满足其性能要求。

4 结论

综上所述，针对该车存在的模态性能问题，进行原因分析及优化设计，得出4种优化方案中的第3种方案可以很好地解决前副车架在安装状态下的一阶弯曲模态频率低的问题，即增加散热器上下横梁，散热器左右立柱厚度及增加散热器左右立柱加强板。这说明在前副车架的模态性能问题上，通过间接改进连接搭配件的刚度也可以解决其存在的一些问题，为后续车身结构设计过程中需要注意的问题和设计方向提供了一定的参考。

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