基于仿真分析與試驗(yàn)的整車(chē)尾門(mén)振動(dòng)異響研究

謝貴山 韓啟明

【摘 要】為了解決整車(chē)尾門(mén)共振異響的問(wèn)題，文章對(duì)尾門(mén)振動(dòng)異響問(wèn)題進(jìn)行排查，分析鈑金振動(dòng)的根本原因，運(yùn)用仿真分析的方法得到尾門(mén)的TB模態(tài)，發(fā)現(xiàn)尾門(mén)TB模態(tài)偏低，且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尾門(mén)TB模態(tài)與路面激勵(lì)頻率耦合，導(dǎo)致路面激勵(lì)振動(dòng)。通過(guò)增加尾門(mén)限位塊和尾門(mén)約束條件，提高了尾門(mén)的TB模態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量振動(dòng)異響，發(fā)現(xiàn)增加限位塊后尾門(mén)振動(dòng)異響消失，最終驗(yàn)證方案的有效性。

【關(guān)鍵詞】NVH；尾門(mén)；異響；TB模態(tài)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）06-0050-04

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的不斷提高，汽車(chē)逐漸成為人們生活中必不可少的工具，人們對(duì)汽車(chē)的要求也不斷提高。汽車(chē)的噪聲與振動(dòng)已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的生活，汽車(chē)噪聲危害也引起了廣泛的關(guān)注，因此汽車(chē)的NVH（振動(dòng)與噪聲）性能也成為廣大顧客重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。汽車(chē)NVH主要包括汽車(chē)振動(dòng)、噪聲、聲品質(zhì)、異響等內(nèi)容。異響問(wèn)題在汽車(chē)NVH問(wèn)題中非常重要。不正常的異響容易使人產(chǎn)生厭煩、暴躁等心理，同時(shí)也使顧客對(duì)汽車(chē)的質(zhì)量產(chǎn)生非常大的懷疑，因此解決好異響問(wèn)題能夠迅速地提升汽車(chē)品質(zhì)。

汽車(chē)異響主要分為干涉異響、摩擦異響和振動(dòng)異響。干涉異響與摩擦異響大部分都是由于零件干涉或剛度不足引起的。而振動(dòng)異響比較復(fù)雜，主要是由車(chē)身的薄鈑金的振動(dòng)頻率與激勵(lì)頻率振動(dòng)后產(chǎn)生的低頻輻射噪聲。

本文運(yùn)用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)整車(chē)尾門(mén)振動(dòng)異響進(jìn)行了研究。為了解決尾門(mén)振動(dòng)異響的問(wèn)題，本文對(duì)尾門(mén)振動(dòng)異響問(wèn)題進(jìn)行排查，分析鈑金振動(dòng)的根本原因，運(yùn)用仿真分析的方法得到尾門(mén)的TB模態(tài)，發(fā)現(xiàn)尾門(mén)TB模態(tài)偏低，且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尾門(mén)TB模態(tài)與路面激勵(lì)頻率耦合，導(dǎo)致路面激勵(lì)振動(dòng)。通過(guò)增加尾門(mén)限位塊和尾門(mén)約束條件，提高了尾門(mén)的TB模態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量振動(dòng)異響，發(fā)現(xiàn)增加限位塊后尾門(mén)振動(dòng)異響消失，最終驗(yàn)證方案的有效性。

1 鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)

鈑金結(jié)構(gòu)的振動(dòng)非常復(fù)雜，只有一些簡(jiǎn)單的鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)如簡(jiǎn)支的矩形板振動(dòng)，才能夠得到解析解，其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)一般運(yùn)用有限元的方法獲得其振動(dòng)特性。車(chē)身鈑金一般都是內(nèi)外板，橫梁等交錯(cuò)組合在一起的鈑金結(jié)構(gòu)，其實(shí)際的邊界條件介于簡(jiǎn)支和固定之間，但是更接近于簡(jiǎn)支板[1]。下面對(duì)簡(jiǎn)支鈑金結(jié)構(gòu)的振動(dòng)原理進(jìn)行探討。

如圖1所示，一塊長(zhǎng)度為a，寬度為b，厚度為h的矩形鈑金。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理，可以得到該鈑金的振動(dòng)方程。

公式（1）中，ρ為鈑金材料的密度，w為鈑金在z方向的位移，q為鈑金表面的激勵(lì)力及載荷；D為鈑金的彎曲剛度（見(jiàn)公式2）。

公式（2）中，E是楊氏模量；μ是泊松比。

對(duì)于簡(jiǎn)支鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)，其振型函數(shù)如下：

將簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的振型函數(shù)式（3）和邊界條件代入鈑金的振動(dòng)函數(shù)式（1），中可以計(jì)算得到該系統(tǒng)的固有頻率。

根據(jù)公式（8）可知，能夠影響鈑金結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)的幾何參數(shù)主要有鈑金的長(zhǎng)度a、寬度b和厚度h，根據(jù)結(jié)構(gòu)固有模態(tài)推導(dǎo)過(guò)程，鈑金結(jié)構(gòu)的邊界條件對(duì)模態(tài)也有很大的影響。

2 尾門(mén)振動(dòng)異響分析與模態(tài)分析

2.1 尾門(mén)振動(dòng)異響分析

某車(chē)型在過(guò)粗糙路面時(shí)，尾門(mén)會(huì)發(fā)出“噠噠噠”的異響。對(duì)此，需要分析尾門(mén)振動(dòng)信號(hào)與路面振動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，同時(shí)分析振動(dòng)異響的聲音信號(hào)。因此，在車(chē)輪輪心與尾門(mén)上布置加速度傳感器且在駕駛員右耳布置麥克風(fēng)（如圖2所示）。

根據(jù)測(cè)量得到的聲音信號(hào)（如圖3所示），通過(guò)回放監(jiān)聽(tīng)發(fā)現(xiàn)異響聲音頻率為一寬頻信號(hào)（如圖4所示），主要集中在400～1 000 Hz。測(cè)試得到尾門(mén)振動(dòng)信號(hào)與路面?zhèn)魃系募?lì)信號(hào)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在31.5 Hz尾門(mén)振動(dòng)較輪心振動(dòng)大較多，因此問(wèn)題點(diǎn)很有可能為31.5 Hz左右。根據(jù)振動(dòng)異響聲音信號(hào)與尾門(mén)振動(dòng)信號(hào)，可知發(fā)生異響的直接原因?yàn)槲查T(mén)振動(dòng)幅值大，與周邊零件碰撞發(fā)出“噠噠噠”的寬頻異響。根據(jù)尾門(mén)振動(dòng)，尾門(mén)在31.5 Hz時(shí)振動(dòng)較大，因此可以計(jì)算尾門(mén)模態(tài)，確定其在31.5 Hz左右是否有共振。

2.2 尾門(mén)模態(tài)分析

汽車(chē)尾門(mén)一般都通過(guò)鉸鏈與車(chē)身連接，尾門(mén)的下部通過(guò)鎖與鎖扣安裝，為了更好地限制門(mén)的x向振動(dòng)，在門(mén)上安裝了膠塞與側(cè)圍接觸，同時(shí)門(mén)的周邊都安裝密封膠條，與門(mén)洞接觸。

在內(nèi)飾車(chē)身（TB）狀態(tài)下的尾門(mén)有限元建模，主要是模擬尾門(mén)安裝在TB車(chē)身上時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)。整個(gè)尾門(mén)鈑金用殼單元模擬，鉸鏈用實(shí)體單元模擬，膠塞與密封膠條用彈簧單元模擬，鉸鏈釋放繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，門(mén)鎖與鎖扣固定約束。

通過(guò)有限元求解，可以得到尾門(mén)鈑金的局部模態(tài)為32.5 Hz（如圖5所示），主要振型為x方向的振動(dòng)。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尾門(mén)鈑金的局部模態(tài)為32.5 Hz，與激勵(lì)頻率非常接近，因此鈑金非常容易被激勵(lì)，同時(shí)振動(dòng)幅值也會(huì)較大，容易與周邊零件碰撞發(fā)生異響。

3 尾門(mén)異響振動(dòng)虛擬驗(yàn)證與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 尾門(mén)振動(dòng)異響虛擬驗(yàn)證

為了提高尾門(mén)模態(tài)，可以采用增加加強(qiáng)板、補(bǔ)強(qiáng)膠等方法，但這些方案都不能同時(shí)滿足重量與成本的要求。根據(jù)鈑金振動(dòng)理論分析可知，可以適當(dāng)改變尾門(mén)的邊界約束條件，且發(fā)現(xiàn)該尾門(mén)沒(méi)有設(shè)置限位裝置，因此可以考慮增加限位塊，改變尾門(mén)的邊界條件，提高模態(tài)。

在TB模型中，運(yùn)用彈性單元模擬限位塊，計(jì)算尾門(mén)安裝在TB車(chē)身上的模態(tài)，得到其模態(tài)提高到35 Hz（如圖6所示），錯(cuò)開(kāi)激勵(lì)頻率約3 Hz，已符合要求。

3.2 尾門(mén)振動(dòng)異響實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了快速驗(yàn)證增加限位塊方案的效果，可以制作手工件，在側(cè)圍上制作限位塊如圖7所示。主觀感受發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異響聲音消失，客觀測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示，在400～1 000 Hz聲壓明顯減小，因此可以得出該方案有效。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)的分析可知，鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要與鈑金的邊界條件和鈑金的幾何參數(shù)有關(guān)。

（2）當(dāng)尾門(mén)振動(dòng)與激勵(lì)率耦合時(shí)，尾門(mén)的振動(dòng)幅值會(huì)迅速增大，從而增大了其與其他零件碰撞的可能性，從而增加了異響的可能性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮尾門(mén)振動(dòng)模態(tài)與激勵(lì)頻率解耦。

（3）為了解決尾門(mén)振動(dòng)異響的問(wèn)題，可以通過(guò)改變尾門(mén)振動(dòng)的邊界條件，比如采取增加限位塊等方案。

（4）由于限位器不是正式零件，因此在后續(xù)需對(duì)正式的限位器的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]龐劍.汽車(chē)車(chē)身噪聲與振動(dòng)控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[4]黃天澤，黃金陵.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]