仪表板管梁轻量化及转向系统振动研究

赵新民 白海涛 常晓峰 靳永军

(海马汽车有限公司，郑州 450000)

0 引言

轻量化技术是降低排放，提升汽车燃油经济型的有效途径。仪表板管梁(CCB)的轻量化，国内外研究及工程应用主要体现在两个方面：一是通过使用密度小、性能优的新型材料替代钢制管梁达到减重效果；二是通过有限元分析，在保证性能的基础上进行结构优化，完成管梁的轻量化工作。

在新材料应用方面，2005年，Naiyi Li使用有限元计算和实验相结合的方法，验证了镁铝合金仪表板管梁可使原重12 kg的CCB减重50%[1]。2011年同济大学高云凯等人通过模态和碰撞分析，证明挤压成型的镁铝合金可以满足相应的性能要求[2]。虽然镁铝等轻金属在仪表板管梁减重方面有较大优势，但因导致材料成本提升，加工工艺不成熟等问题而难以推广。钢制仪表板管梁仍是各主机厂设计、生产的主流[3]。钢制管梁的轻量化研究主要通过计算各构件的模态因子(质量—模态因子，厚度—模态因子，结构—模态因子)，定量比较需优化的具体目标[4]。2014年，宣海军等人以仪表板管梁的一阶模态为约束，通过灵敏度分析，对各支架板厚进行优化设计，使管梁模态达标的情况下实现了轻量化的目的[5]。

本文利用有限元软件，通过灵敏度分析对仪表板管梁关键钣金件的灵敏度予以识别，对仪表板管梁主管的管径和壁厚并进行匹配分析，对仪表板管梁进行减重，轻量化效果显著。同时，经过模态分析，振动传递函数分析和试验测试，验证了分析方法的可行性。

1 仪表板管梁结构及性能指标

1.1 仪表板管梁结构

图1为某乘用车仪表板管梁骨架示意图。该管梁通过9个固定点与车身相连，通过4个固定点与转向管柱相连。方向盘作为该系统的重要部件，其一阶垂/横摆模态及对应的振动加速度是考核仪表板管梁NVH性能的重要因素。

图1 某乘用车仪表板管梁示意图

1.2 离散方式和边界条件

使用Hypermesh软件进行离散，其中板件采用Shell单元，单元基准长度为8 mm；铸件采用Solid单元，单元基准长度为2 mm；焊点采用Acm单元模拟，螺栓采用Rbe2单元模拟；单元总数为1,827,100个，节点总数为1,353,079个，质量367.1 kg；计算的边界条件如下：

表1 计算的边界条件

1.3 性能指标

使用Nastran软件，对管梁+管柱+BIP进行分析计算，得到初始状态下方向盘一阶垂摆模态频率(40.05 Hz)和一阶横摆模态频率(43.37 Hz)对应的模态振型如下图所示：

2 仪表板管梁优化分析

2.1 模态灵敏度分析

为确定轻量化方向，首先需对管梁及管梁和车身连接件进行模态灵敏度分析，对关键零部件进行识别。经过模态灵敏度分析，可以将钣金件分为高灵敏度板件，低灵敏度板件和负灵敏度板件。通过提升高灵敏度板件刚度，降低负/低灵敏度板件刚度，达到转向系统性能不变的同时实现轻量化的目的。

因当前使用的管梁主管为单一厚度、直径的通管，为分析管梁局部结构对转向系统模态的影响，现将管梁主管均分为等长的7段进行分析。经过识别，21组影响转向系统性能的钣金件如图3所示。

图2 转向系统的一阶垂摆(上)和一阶横摆(下)模态振型

图3 灵敏度分析的钣金件分组

以初始摸底计算的一阶垂/横摆模态频率为目标值，分别进行灵敏度分析，可以得到21组钣金件的模态灵敏度和质量灵敏度。分析和汇总结果如图4所示。

图4 灵敏度及具体分割位置分析

其中，灵敏度比=模态灵敏度/质量灵敏度，表示每增加1 kg质量对转向系统模态频率的影响。

模态灵敏度分析结果可以看出，管梁主管的1段～4段及中通道连接支架13号～14号板是一阶垂/横摆的改善方向；8号～12号板和20号板一阶垂摆的改善方向；前围连接支架17号板是一阶横摆的改善方向，这些钣金件是性能提升的方向。

管梁主管的5段～8段对转向系统的一阶垂/横摆的模态频率影响较小，是轻量化的方向。

初步考虑对管梁主管进行分割，以减弱主管右侧刚度。为得到更准确的主管分割位置，主管4号段对方向盘模态的影响应做进一步分析。将4号钣金再均分为8段，间隔25 mm，计算各工况下方向盘的模态。如图4所示，可以确定管梁分割位置为4号钣金的2号点位置，即最优位置(距离管梁左端640 mm)。因此，对主管在2号点位置进行分割，采用左强右弱的方案。

2.2 主管管径及壁厚分析

为了分析2号点右侧主管对转向系统性能的影响，对该部分管道进行变管径和变厚度分析，分析结果如图5所示。其中，原状态下仪表板管梁主管的基本参数为：中径52 mm，壁厚2 mm。

图5 管径和壁厚对模态频率的分析

由随管梁壁厚增加，转向系统的主要模态呈线性提升，至1.9 mm之后，一阶横摆逐渐趋于平缓。随管径增加，转向系统的主要模态均线性提升。说明，大管径管梁有助于模态提升。

2.3 优化方案及结果

为保证转向系统性能，对管径和壁厚进行综合匹配分析，寻求最优解。同时综合工程应用和成本考虑，管梁主管方案如表2所示。

表2 优化方案

结合优化方案，表3给出了减重前后方向盘的一阶垂/横摆模态频率的对比情况。结果表明，优化后的方向盘性能和原状态保持一致。初步说明了优化方法的可行性。

表3 仿真分析结果对比

3 结果验证及讨论

3.1 测试试验

为验证有限元方法的工程化效果，根据优化方案制作仪表板管梁样件并进行模态测试。下图为原状态管梁和优化状态管梁的对比情况。

试验采用与仿真分析相同的约束方法，测试结果如表4所示：

表4 测试结果对比

测试结果表明，优化方案方向盘垂摆模态上升0.95 Hz，横摆模态下降0.45 Hz，测试和仿真分析结果较为接近，且误差在合理范围内，从而验证了仿真计算的准确性和优化方案的合理性。

3.2 VTF分析

模态计算和测试结果表明管梁在优化前后模态频率变化不大，为了进一步分析管梁结构的改变可能会对传递路径造成的影响，需验证各接附点到方向盘的振动传递函数(VTF)。分别在30个接附点施加1 N的扫频激励，输出接附点到方向盘的振动传递函数，响应大小以加速度表示。图7是以左悬置为例对比优化前后方向盘的振动量大小。

图6 原状态与优化状态管梁对比

对比结果表明，优化前后方向盘峰值频率下的传递函数重合，表明管梁优化之后的传递函数并未发生变化，方向盘的加速度在目标范围内。其他29个接附点表现出同样的结果。该结论验证了轻量化方法的可行性和准确性。

4 结论

本文根据仪表板管梁的结构特征和转向系统的振动性能要求，基于灵敏度分析，对仪表板管梁关键钣金件的灵敏度予以识别，通过优化管梁主管的管径和壁厚并进行匹配研究，对仪表板管梁进行减重，轻量化效果显著(质量减轻6.7%)。同时，经过模态分析，振动传递函数分析和试验测试，确定了分析方法的可行性，具有较强的工程实用性，其优化思路也可为其他系统的轻量化和性能提升工作提供参考。