汽車喇叭安裝點結構的仿真模擬及試驗研究

曾媛　陳宏璽　周文斌

【摘 要】某車型汽車喇叭支架安裝點在振動耐久試驗中發生多起疲勞開裂失效的問題。文章針對試驗結果進行分析，對現有的汽車喇叭安裝點進行了模態和強度分析，確定了安裝點開裂的主要原因是模態過低，結構剛度不足，振動疲勞開裂，提出了結構改進方案，并且該方案通過了試驗驗證，完全解決了喇叭安裝點開裂的問題，效果十分顯著。結果表明，應用CAE仿真模擬和試驗相結合的方法可以有效地預測汽車喇叭安裝點結構設計是否滿足剛度設計的性能要求。

【關鍵詞】汽車喇叭；仿真模擬；喇叭安裝點；結構設計；剛度設計

【中圖分類號】U463.653 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）03-0042-04

0 前言

汽車喇叭是汽車安全系統中不可缺少的電器元件，成本低、壽命長、高可靠性和耐環境能力成為汽車喇叭的發展方向。汽車行駛在道路上，汽車與汽車之間、汽車與其他交通工具之間、汽車與行人之間都不可避免地會為道路的使用產生矛盾，因此需要采用合適的方法提醒對方，汽車喇叭自然是最簡單、最直接的工具。隨著汽車保有量的增加，汽車喇叭也隨之發展。汽車喇叭的性能直接關系到行人和其他交通工具的安全。

汽車喇叭的分類有多種，諸如氣喇叭、電喇叭、機械式喇叭、電子式喇叭、蝸牛形喇叭、盆形喇叭等，但是它們的工作方式都是當按下轉向盤上或其他位置的喇叭按鈕時，來自蓄電池的電流會通過回路流到喇叭繼電器的電磁線圈上，電磁線圈吸引繼電器的動觸點開關閉合，電流就會流到喇叭處。電流使喇叭內部的電磁鐵工作，從而使振動膜振動而發出聲音。

汽車喇叭本身是一個振動激勵源，工作時會產生較大的振動能量，對其安裝點結構有較高的避振和剛度設計要求，以保證汽車喇叭正常發聲。以往的汽車喇叭安裝點的結構剛度設計要求通常比較籠統，因此雖然設計人員都知道結構剛度設計的重要性，但卻沒有提出明確的剛度設計或者沒有將剛度設計指標充分考慮到初始的結構設計中。待結構設計完成后，再對結構進行強度和剛度試驗校核，滿足設計要求則設計完成，不滿足設計要求則通過不斷地修改結構設計，直到滿足設計要求為止。這種傳統的結構剛度設計，可稱為被動的結構剛度設計。這種結構剛度設計方法會消耗大量的人力和物力。

本文主要針對某車型前艙部件——上彎梁焊合組件的結構設計，通過對此結構件在整車耐久試驗中發現的汽車喇叭安裝點開裂問題進行研究和分析，總結了汽車喇叭安裝點結構的剛度設計經驗，為汽車喇叭安裝點的設計開發提供依據和參考，變被動的剛度設計為主動的剛度設計，避免了結構設計中的偶然性和盲目性，可以大大地縮短其結構設計開發周期。對汽車喇叭安裝點結構的失效展開研究將有益于汽車企業產品質量、性能的提升，降低用戶的投訴率，同時對交通安全、噪聲環境治理和汽車生產過程中的節能降耗也有非常重要的作用。

1 整車耐久試驗路試車分析

在整車開發過程中，各階段的樣車制造出來后會根據本公司的整車可靠性試驗規范標準，進行整車結構的耐久規范試驗。耐久規范涉及壞路、城市、蛇形、直線、高速、16坡度、點制動、全制動等方面。各規范構成所占比例不同，比重最大的為壞路，其余比例根據標準來分配。

某車型的前艙部件——上彎梁焊合組件在開發階段的某次整車耐久性試驗中，汽車喇叭發音不正常，經排查確認，電路和喇叭本身沒有故障，拆卸喇叭后發現，其左右喇叭安裝點開裂（如圖1所示），發生開裂時路試里程已完成17 188 km。

上彎梁焊合組件喇叭安裝點開裂說明，上彎梁焊合組件的結構設計不合理，需要進一步優化。

此結構借用原有車型，原有車型的喇叭安裝點曾經因喇叭進水問題導致失效的輸入而做過更改，將上彎梁焊合組件的喇叭安裝點下移了22 mm，更改后一共跑了4臺耐久路試車輛，含此故障車，經復查發現，此4臺耐久路試車輛的上彎梁焊合組件的喇叭安裝點均出現了不同程度的開裂。

反查喇叭安裝點更改前的上彎梁焊合組件耐久路試車輛，其他耐久路試車輛的上彎梁焊合組件喇叭安裝點無開裂現象（如圖2所示）。

2 原因分析

上彎梁焊合組件前期為解決喇叭進水問題，根據喇叭安裝要求的輸入，將上彎梁焊合組件對應的喇叭安裝點下移22 mm，導致模態下降，開裂趨勢增大。

上彎梁焊合組件的喇叭安裝點處僅有單層板（t=0.8 mm），無螺母板加強，結構強度和剛度偏弱，存在開裂風險。

3 其他車型結構對比

為了進一步確認此車型的上彎梁喇叭安裝點開裂問題的原因及尋求好的解決方案進行結構優化，特與其他車型的上彎梁焊合組件的喇叭安裝點的結構進行了以下對比。車型A：上彎梁料厚t=1.2 mm，螺母板料厚t=1.2 mm，路試情況無開裂；車型B：上彎梁料厚t=1.2 mm，螺母板料厚t=1.2 mm，路試情況無開裂；車型C：上彎梁料厚t=1.0 mm，螺母板料厚t=1.0 mm，路試情況無開裂；車型D：上彎梁料厚t=1.0 mm，螺母板料厚t=1.2 mm，路試情況無開裂。

根據以上對比信息，各對比車型中的上彎梁焊合組件的喇叭安裝點處的料厚為1.0～1.2 mm，均大于0.8 mm，同時上彎梁焊合組件的喇叭安裝點均配有螺母板且料厚為1.0 mm～1.2 mm，路試結果好，無開裂情況。

4 上彎梁焊合組件喇叭安裝點結構優化方案

針對上彎梁焊合組件喇叭安裝點的開裂問題，新的結構優化方案為在對應的安裝位置增加1塊螺母板。方案一和方案二的螺母板形式尺寸相同，料厚分別采用1.0 mm和1.2 mm，螺母板與上彎梁焊合組件用2個點焊連接；方案三的螺母板采用“幾”字形結構，加大與上彎梁焊合組件的搭接面，與上彎梁用4個焊點連接，其中2個二層焊、2個三層焊，料厚t=1.0 mm（見表1）。

5 CAE仿真模擬分析和方案對比

模型描述：上彎梁材料為BLD，料厚t=0.8 mm，喇叭重量為0.24 kg。

首先，喇叭安裝點位于上彎梁焊合組件上，通過螺栓連接的方式實現喇叭安裝。

其次，有了相關的安裝位置輸入條件后，可以借助整車強度分析工具CAE模擬分析上彎梁焊合組件喇叭安裝點的應力情況來判定強度是否滿足要求。利用GRAV卡片定義重力加速度場，進行模擬分析時，將工況分為以下3種。工況1：x向5 g加速度，z向-1 g加速度；工況2：y向7 g加速度，z向-1 g加速度；工況3：z向-10 g加速度。約束車身截斷面全部自由度。

由CAE仿真結果（見表2）對比各方案來看，各方案在3種工況下的最大應力均符合要求，低于對應的屈服強度，即155MPa。強度滿足設計要求。針對開裂情況，同步對模態進行模擬仿真，模態值見表2。

上彎梁焊合組件的喇叭安裝點下移22 mm狀態分析模型。上彎梁焊合組件的喇叭安裝點下移22 mm狀態的模態分析結果如圖3所示。

根據圖3的結果，可以得出以下結論：由于喇叭重心位置的改變和力臂的變化，導致模態降低了1.4 Hz，新狀態的模態為29.35 Hz，低于路面激勵30 Hz。

而從表2的仿真結果來看，方案三的一階模態最高為32.78 Hz。

由以上的仿真模擬分析來看（如表2和圖3所示），仿真模擬分析結果基本符合試驗現象，由于前一階固有頻率比較低，處在整車一階模態范圍內，因此引起了喇叭安裝點結構的共振。在模態仿真分析中，喇叭安裝點結構一階模態為29.35 Hz，模態偏低，低于整車一階模態（30 Hz），說明喇叭安裝點結構確實在該頻率下存在共振現象。同時，該頻率最大應變能位置為喇叭安裝點區域，與實際斷裂位置相符。由此可知，支架斷裂極可能是安裝點結構剛度不足，導致其一階模態只有29.35 Hz，落在整車的激烈頻率范圍內。該問題的解決辦法是提高剛度，使安裝點結構的第一階固有頻率大于30 Hz；此外，上彎梁最大應力出現在工況三（27.6 MPa），低于材料屈服強度（≥155 MPa），滿足強度要求，因此排除了強度不足導致上彎梁安裝點結構開裂的可能性。

當喇叭支架的固有頻率與裝配支架鈑金的固有頻率接近或相等時，就會出現共振現象，從而影響喇叭的音質，情況嚴重的可導致喇叭不能正常發聲。本文所分析的汽車喇叭支架固有頻率為27 Hz，而路面的激勵模態為30 Hz左右，喇叭安裝點的模態要同時遠離以上2個激勵越遠，則避振效果越好。因此，最終確定采用方案三，即在上彎梁焊合組件的喇叭安裝點處增加t=1.0 mm的“幾”字形螺母板，使用2個二層焊、2個三層焊與上彎梁進行連接。

按方案三的結構進行實車試驗驗證，喇叭安裝點沒有出現開裂。

6 結論

本文通過整車耐久路試振動測試試驗推斷汽車喇叭安裝點開裂的原因是模態過低，對比其他成熟車型和利用仿真模擬結果，提出了優化措施，即對于汽車喇叭安裝點的結構設計，除了需要考慮安裝點的應力分析外，還需要考慮喇叭安裝點的模態要求，計算出喇叭支架的固有頻率后，可以和車身安裝點的固有頻率進行對比，當兩者頻率接近或相等時，假定喇叭支架不改變，可以通過提高車身安裝點固有頻率來避免共振。最佳推薦喇叭在車身上安裝點所在的鈑金厚度至少大于1.2 mm（若條件允許，推薦厚度為1.5 mm）或者2層板結構。

汽車喇叭為典型的汽車構件之一，汽車喇叭安裝點開裂失效也是典型的結構剛度引起的實際問題，在結構設計初期采取主動結構剛度設計思想，即主動結構剛度設計法。主動的結構剛度設計是指在結構設計的初期，就將剛度設計指標通過各種分析手段定量地確定下來，以結構參數作為設計參數，通過一定的設計方法，結合需要滿足的各種設計條件，設計出滿足該條件的最優結構。這種設計方法應歸屬于結構設計的逆向設計法。主動結構剛度設計旨在使設計出的結構具有良好的剛度特性。為了實現設計出的結構具有良好的剛度特性，可以通過比較法和優化設計法2種方法。

比較法是將幾套結構設計參數作為備選方案，然后分別進行驗證、分析、比較，從中選出最好的設計方案。這種方案操作簡單、方便、快捷，但是設計結果受限于備選方案，且得到的結果不一定滿足設計要求的最好設計結果，而只是幾種備選方案中最好的。

優化設計法以結構設計參數為設計變量，滿足一定的設計條件，采用適當的優化方法，使設計出的結果具有良好的剛度特性。主動結構剛度設計法中的比較法具有方便、快捷的優勢，優化法可以保證取得的值最優，二者可以結合使用。通過比較法得到的較優解可以作為優化法的設計初始值。

參 考 文 獻

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[2]陳宏璽，朱燈宏.某微車膨脹箱安裝支架結構優化設計

[J].企業科技與發展，2013（19）.

[3]Q/SGMWJ 0801—2011，整車常規可靠性試驗規范[S].

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[責任編輯：鐘聲賢]