重型商用汽车挡泥板支架振动频率分析及优化

陈 冲，种 晖，张 靖

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

1 当前挡泥板支架存在的问题

在汽车的性能指标中，用户对NVH性能的敏感度最高，其优劣直接影响到产品在市场上的竞争力。附件系统的NVH主要是指挡泥板支架总成的模态频率，挡泥板支架的刚度不足会引起在怠速频率下，挡泥皮和挡泥板的整体振动，并伴随着振动噪声的产生，一般会引起客户抱怨等负面影响。挡泥板总成在整车发动机怠速下发生抖动并且产生严重噪声，主要原因可能是由于发动机怠速频率与挡泥板支架的怠速频率相吻合[1]，从而产生共振导致的。因此，对当前挡泥板支架进行CAE仿真计算分析，从模态仿真和试验两方面验证是否发生共振，进而优化挡泥板结构，避免发生共振。

1.1 挡泥板支架总成的有限元仿真分析

采用Hypermesh有限元仿真软件，按照挡泥板总成实际装车状态建立其三维仿真模型，对具有完整的不规则结构的支架总成，采用四面体单元划分有限元网格；车架总成等规则实体建立采用抽中面划分单层网格的方式建立其有限元模型；对于挡泥皮等不具有实体结构的模型，通过Hypermesh软件的RBE3单元配重，相当于达到实际的质量。有限元模型共568 031个单元总数，共有428 813个节点，建立的有限元仿真模型如图1所示。

图1 挡泥板总成的有限元仿真模型

1.2 模态频率仿真分析

对搭建完成的挡泥板支架总成按照实际装车状态进行约束，赋予挡泥板支架和车架材料属性，如表1所示。

表1 挡泥板支架材料参数

挡泥板支架底座安装孔和车架纵梁采用RBE2单元建立螺栓约束，约束车架纵梁截面的全部自由度，计算其前6阶模态，挡泥板支架第五阶模态频率如图2所示。通过CAE软件仿真分析计算结果表明：挡泥板支架的第五阶模态频率和发动机的怠速频率较为接近，在怠速情况下发生共振的可能性较大，其前六阶振型和频率如图2所示。

图2 挡泥板支架的前六阶振动频率和模态分布

挡泥板支架总成的低频共振问题主要是车辆在怠速时支架总成的固有频率与发动机的怠速频率发生耦合导致。发动机怠速工况下的激励主要是往复惯性力，怠速频率主要与发动机转速和气缸数相关[2]。某重型商用车发动机为六缸，四冲程发动机，发动机怠速700～1 000 r/min，可以获得发动机怠速频率：

式中，fd为怠速频率；nd为发动机怠速；G为发动机气缸数。

理论计算发动机怠速频率与挡泥板支架的第五、六阶固有频率相接近，挡泥板支架总成发生共振，一般要求发动机怠速频率避开30±2 Hz即可，为验证当前结论的可靠性对支架总成进行频响试验。

2 优化方案

依据模态仿真和频响试验结果发现：挡泥板支架总成的固有频率与发动机的怠速频率相吻合，因此需要对支架结构优化改进，经多次仿真分析，采用新型结构的挡泥板支架总成。

2.1 优化挡泥板支架的模态频率仿真分析

通过对挡泥板支架的结构进行优化，对优化后的挡泥板支架总成进行模态频率仿真，第五阶段模态仿真结果如图3所示。仿真结果表明：优化之后的挡泥板支架前五阶振动频率比之前均有提高，振动模态明显优于之前状态，优化之后的挡泥板支架前六阶振型和频率如图3所示。

图3 优化之后的挡泥板支架前六阶振动频率和模态分布

对优化后的挡泥板支架总成模态频率仿真分析发现，前六阶振动频率不存在30 Hz附近的振动频率，可以避开发动机的怠速频率。为验证该结构的合理性，将试制样件装车后测试关键点的振动加速度进行前后对比。

2.2 挡泥板支架总成优化前后的振动加速度比较

对优化后的挡泥板支架总成按装车状态测试其三向振动加速度，计算其加速度均方根值，同时结合主观评价进行评估优化方案的合理性。

计算结果表明：优化之后的前、中、后挡泥板支架三向振动加速值比原来分别提高了8.2%、5%和9.5%。优化之后的挡泥板支架主观评价明显优于优化之前的方案，证明了该方案的有效性。

3 结论

通过对挡泥板支架的结构优化，综合仿真分析、试验测试和主观评价发现，挡泥板支架的前六阶振动频率和模态振型可以避开发动机的怠速频率，解决了该车型挡泥板支架在发动机怠速下的抖动问题，提升了整车的NVH性能。