某型商用车前保险杠怠速抖动问题控制研究

何水龙,韦 壹,叶明松,王 伟,刘夫云

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林 541004; 2.东风柳州汽车有限公司 先行技术部,广西 柳州 545005)

汽车保险杠作为汽车保护性结构与车架直接相连,直接影响汽车的安全性和舒适性.传统研究主要集中在保险杠的结构及碰撞的安全性方面,在汽车NVH(Noise,Vibration,Harshness)舒适性方面的研究较少.金浩等[1]基于有限元软件LS-DYNA实现了保险杠碰撞多目标优化的结构设计;莫富灏等[2]利用多体动力学软件MADYMO对汽车前部结构碰撞进行事故重建;张鑫等[3]通过有限元软件HyperWorks和碰撞分析软件PAM-CRASH完成了碰撞性能分析.由于汽车在行驶过程中，受到来自发动机和路面的激励振动,而这些外部激励频率与保险杠固有频率接近时,将产生共振引起驾驶室抖动剧烈,严重影响汽车的舒适性.

本文针对某型商用车前保险杠出现剧烈抖动问题,通过试验测试和CAE仿真相结合的方法,找出引起前保险杠抖动的根本原因是前保险杠的固有频率与发动机的点火频率发生耦合而产生共振.在上述试验和CAE仿真软件分析的基础上,提出了通过加强保险杠整体刚度的优化方案，并进行方案验证.经过现场测试结果表明，优化设计方案可行.

1 前保险杠怠速抖动机理

确定激励源和传递系统是解决汽车NVH问题的第一步.首先从激励源分析,通常多缸直列发动机可被视为由曲轴连接起来的多个单缸发动机.作用在多缸发动机机体上的干扰力,可以简化为各单缸发动机受到的干扰力组成的一组空间力系,如图1所示.

图1 发动机缸体受力示意图Fig.1 Force diagram of engine cylinder body

由图1可见,作用在直列式多缸发动机上的扰动力与力矩是曲轴转角的周期性函数,是引发车架振动的激励源,而前保险杠模块与车架一般是不设置减振装置的刚性连接方式.本文中所研究的商用车为四缸四冲程发动机,曲柄夹角为180°,激振力主要是二阶往复惯性力.

1.1 隔振分析

当激振过大而悬架隔振不足时,将导致响应增大,从而引起前保险杠抖动,影响整车NVH品质[4].本文先从激励源对问题车辆进行故障原因排查,发动机总成通过发动机悬置与车架相连接,如果悬置隔振率低起不到隔振作用时,发动机激励将引起前保险杠的抖动.隔振率为

(1)

式中:A1,A分别为响应侧和激励侧振动幅值;a1和a分别为响应侧和激励侧振动加速度幅值.

通过对问题商用车发动机悬置系统的振动测试，获得悬置隔振率如图2所示.

由图2可见,商用车悬架系统的隔振率都是85%以上,左前悬隔振率甚至将近90%,满足隔振要求,因此，排除发动机振动传递引起前保险杠抖动的原因.

图2 发动机悬架隔振率Fig.2 Isolation rate of engine suspension

1.2 振动测试频谱分析

进一步对前保险杠传递系统进行分析.由于整车系统振动传递路径多、机理相对复杂.因此,本文在建模过程中根据具体情况对模型进行简化,建立一个前保险杠振动系统传递路径模型,如图3所示.

图3 前保险杠振动-传递路径-响应模型Fig.3 Front bumper vibration-transfer path-response

对存在问题进行分析研究,采用简单原因排查问题的原则[5],将发动机的怠速由700 r/min调整到750 r/min,用主观评价方式确认问题.结果表明,抖动有明显的改善,拆除脚踏板与前保险杠连接螺栓后抖动正常.

为进一步查明问题原因,基于该模型采用电测法对问题车辆进行测试和分析.本实验在半消声室内进行,温度条件为30 ℃,采用三向传感器对前保险杠、前大灯、一级脚踏板进行布点测试,如图4所示.

图4 测点位置Fig.4 Position of measuring point

由于频响函数能有效反映系统传递特性,是研究结构动态特性的重要工具,也是模态分析和参数识别的基础[6].测试过程中,采用DASP系统进行数据采集与信号处理,并对振动幅值最大踏板处测点进行频谱分析,获得振动频谱如图5所示.

图5 踏板振动频谱图(优化前)Fig.5 Vibration spectrum of footstep (before optimization)

由图5可见,频谱中23.38 Hz处出现明显峰值,y,z方向的振动加速度分别为7.25,7.41 m/s2,振动能量大.

怠速时振动激励源来自发动机,而发动机的点火频率为

(2)

式中:f为发动机点火频率,Hz;n为发动机怠速转速,r/min;m为发动机缸数.

根据式(2)可以获得本文商用车怠速转速在700 r/min附近波动时的点火频率范围为23.34 Hz.而测试频率23.38 Hz与发动机怠速频率相耦合.由此可知,保险杆抖动可能是由前保险杠、大灯与一级踏板总成模块固有频率与发动机点火频率发生耦合而引起共振问题.

2 建模分析

2.1 CAE模型建立

CAE是模态分析的重要手段,通过前保险杠总成模块CAE分析获取其模态特性.首先采用三维建模软件CATIA，建立前保险杠总成模块的实体模型;再通过有限元前后处理软件HyperWorks，建立有限元分析模型.汽车保险杠结构模态分析与计算问题属于线性弹性范围内的动力学问题.为简化分析,离散过程采用空间板壳单元[7].为增强普适性,采用适当的简化措施:① 省略功能件和非承载件;② 忽略一些对截面特性影响不大的特征,如小孔、台阶等;③ 对各个构件间的连接关系都采用MPC单元连接;④ 省略部分对振动特性影响不大的圆角.局部细节处理后的有限元模型如图6所示.完成建模后,对保险杠做模态分析,结果如图7所示.

由图7结果可以看出,保险杆存在24.3 Hz的固有频率,与700 r/min工况下的点火频率23.3 Hz相近,CAE仿真结果与上述实测结果相吻合,验证了CAE模型的准确性.因此,可以确定前保险杠抖动主要原因为前保险杠总成模块固有频率与发动机点火频率发生耦合而引起前保险杠发生了局部共振.

图6 保险杠结构CAE模型细节处理图Fig.6 Bumper structure CAE model detail processing diagram

图7 原状态车的模态分析图Fig.7 Modal analysis of the original state vehicle

2.2 理论建模分析

将保险杠离散化为有限个质量、弹性和阻尼元件组成的n个自由度的线性振动系统,其运动方程可表示为

(3)

式中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{δ},{δ′},{δ″}分别为各离散质量位移、速度、加速度向量;{P}为结构载荷列阵.

保险杠模态是保险杆的固有特性,与外部条件无关，同时,考虑到阻尼对振型和固有频率影响较小,将振动方程进行如下简化:

(4)

设解为{δ}={φ}eiωδ,从而可得到特征方程为

(5)

从特征方程可知,提升系统固有频率最直接有效的方式是减小系统质量或提升系统刚度.

3 优化方案与效果

3.1 优化方案

目前,该商用车保险杆已经做过轻量化处理,提升空间有限,主要寻求通过改变保险杠刚度的途径加以解决.传统措施有:① 改变前保险杠所选用的材料,采用密度小,杨氏模量相对较高的材料;② 调整钣金的几何形状,使保险杠的刚度在一定范围内加强,如加强筋;③ 提高结构件的刚度,使整体结构得到加强.

基于经济性和可行性两方面考虑,本文采用的优化方案是:通过提高结构件的刚度,使前保险杠、大灯与一级脚踏板总成模块的模态频率提升,从而避开激振频率.具体措施是在保险杠与车架连接处增加支架、支撑杆.该方案可靠性高、可行性好、效率高且经济性好.方案实施详细情况如图8所示.

图8 优化方案示意图Fig.8 Optimization scheme schematic

3.2 前保险杠优化后固有频率

经过加强前保险杠整体刚度后,再次利用有限元软件对前保险杠总成模块进行模态分析,结果如图9所示.

图9 优化前、后的模态分析对比图Fig.9 Modal analysis contrast diagram before and after optimization

对比图9和图7,优化前、后的模态分析对比可知,经过优化后保险杠总成模块的固有频率由原来的24.3 Hz提高到了30.3 Hz,加大了与发动机点火频率之间的间隔,避开了发动机的点火频率,理论上能有效解决共振引起的问题.

3.3 优化后的实车测试结果

为了进一步验证效果,按照优化方案进行实车整改,在保险杠与车架连接处增加支架、支撑杆,并对整改后的商用车进行振动测试,同样对踏板处的测点数据进行频谱分析,结果如图10所示.

图10 踏板振动频谱图(优化后)Fig.10 Vibration spectrum of footstep (after optimization)

由图10可见,优化后的踏板x,y,z方向23.38 Hz 处的幅值分别为0.50,0.38和0.78 m/s2,即经过对前保险杠总成模块的刚度进行加强,脚踏板各个方向振动都明显降低,同一频率幅值最高降低了7.14 m/s2,前保险杠总成模块的抖动故障消失,整改思路正确、方案有效.

4 结论

本文基于振动测试与CAE分析相结合,对某商用车怠速工况下前保险杠抖动问题产生的原因进行深入分析,得出商用车前保险杠振动问题的分析方法,并提出了多个改进方案和优化措施,通过实车测试，有效解决了保险杆的怠速抖动问题,该方法同样可以应用于新车型的开发设计中.上述研究可以得到以下结论:运用CAE仿真分析软件可以较为准确地计算出模块的模态频率和振型,并为结构优化方案的确定提供方向，为优化后验证提供平台;解决商用车前保险杠共振问题的有效方法是提高或降低其固有频率,避开激振频率，从而达到控制振动的目的,该方法具有普适性,适用于其他共振问题.