前懸聲品質提升方案研究

陳晶艷

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

懸架是車輛的重要組成部分，可將路面作用于車輪上的力和力矩傳遞到車身上，以保證汽車的正常行駛[1]。懸架系統通過將擺臂、轉向裝置、穩定桿、驅動裝置、差速器等多個底盤元件預裝到副車架中，形成一個模塊[2-3]。因此各桿系的連接、副車架與車身的連接直接影響整車NVH(Noise Vibration Harshness)的表現[4]。

隨著生活水平的提高，廣大消費者對擁有自己的家用轎車產生了日益強烈的需求，并逐漸從代步需求轉向個性體現，對車輛品質的要求也逐漸提升[5]。同時隨著自主品牌的不斷崛起，市場份額越占越大，所有品質問題均會對自主品牌形象造成非常大的影響。

某新品轎車在行駛中，以40～50 km/h的速度過凹坑時底盤前部發出類似金屬敲擊“kuang kuang”聲，極易引起客戶抱怨，讓顧客有不安全感，嚴重影響品牌競爭力。通過FTA(Fault Tree Analysis)分析法查找所有可能原因，并對所有原因及改善方案進行逐條分析驗證，最終得到最優的解決方案。

1 問題研究

1.1 問題描述

前懸異響的工況見圖1，即車輛以50 km/h的速度制動過100 mm深坑，底盤前部發出類似金屬敲擊“kuang kuang”聲。實驗中選取的深坑結構特征如圖2所示。

圖1 前懸異響的工況

圖2 深坑結構特征圖

1.2 異響位置分析

應用LMS聲壓系統，實車狀態對前懸各點進行聲壓采集，采集點及聲壓示意圖分別如圖3、圖4所示。發現副車架處聲壓最強，異響位置鎖定于副車架。

圖3 聲壓采集的示意圖

圖4 異響聲壓示意圖

對前懸架各個零部件進行檢查，表面無撞擊痕跡，排除撞擊異響。對副車架上(如圖5所示)各安裝點進行檢查，副車架與懸置、擺臂安裝點均未發生滑移，但與車身安裝點處出現明顯劃痕，見圖6。

圖5 副車架焊接車身

圖6 車架表面劃痕

為證明原因的唯一性，把有明顯滑移痕跡的副車架后安裝點焊接在車身上，再進行車速50 km/h、過100 mm深坑試驗，無金屬撞擊聲，因此明確副車架后安裝點產生滑移是前懸聲學品質差的根本原因。

2 機制分析

2.1 副車架滑移要因分析

能產生相對滑移的條件即為f≤F[6-7]，而：

式中：f為摩擦力；F為外載力；F0為螺栓預緊力；μ為接觸面摩擦因數；i為結合面數；N為螺栓個數；K為扭矩系數；d為螺栓公稱直徑。

針對主要原因通過如圖7所示的FTA分析找到了與后點滑移相關聯的8個末端因素。

圖7 FTA分析法

根據實驗的條件，時速50 km/h、坑深100 mm為現實生活中開車常見的極限工況。比對其他車型的副車架，此車型采用的副車架結構形式為四點安裝，采用M14的螺栓，擰緊力矩為160 N·m，車身與車架為凸臺連接(見圖8)，均為成熟方案。通過排除法得出可能存在的要因為凸臺Z向尺寸偏小、支架與套管間隙過大造成的預緊力不足。

通過拆解異響車輛，發現副車架后安裝點存在較明顯凹陷現象，見圖5。通過對副車架制造現場進行調查分析，部分副車架后安裝點存在不同程度間隙，見圖9。

圖8 副車架安裝示意圖

圖9 副車架安裝示意圖

2.2 仿真論證

從圖10可以看出：副車架后安裝支架與支撐套管的間隙值將導致螺栓有效預緊力的損失，進而可能無法提供足夠的摩擦力而使副車架與車身之間存在滑移的可能性。

圖10 緊固力的示意圖

通過仿真計算，設計狀態的副車架后安裝點能夠提供摩擦力8 000 N，大于過坑時后點外載的最大值，理論上不會導致副車架滑移；但當安裝支架與支撐套管間隙大于1.2 mm時，如圖11所示，安裝點的摩擦力將小于外載力6 500 N，從而存在副車架滑移風險。

圖11 摩擦力計算

但因安裝支架沖壓件與上、下板焊接件配合后的累積制造公差將會達到±2.5 mm，如圖12所示，且支撐套管高度只能是固定的，這必將導致安裝支架與支撐套管之間0～2.5 mm間隙的存在。通過如圖13所示的3DCS專業軟件進行裝配公差分析，安裝支架與支撐套管間隙超過1.2 mm的概率在0.5%，故在現有制造水平的基礎上縮小公差已不現實，需要從設計方面解決此問題。

圖12 結構示意圖

圖13 3DCS分析

3 結構優化及驗證

為從設計上消除鈑金間間隙，計劃將原安裝支架取消，冷墩套管局部加厚10 mm，見圖14，但由于冷鐓套管安裝表面的摩擦因數小(0.083)，安裝面能夠提供的最大摩擦力5 000 N小于過坑時外載力的最大值，如圖15所示。

圖14 優化方案

圖15 摩擦力計算

而提高摩擦因數最簡單最直接的方法是增加滾花墊片，見圖16，摩擦因數可從0.083提高到0.35，經計算可提供足夠的摩擦力保證副車架不滑移，但這樣組裝便利性差，容易漏裝，影響生產節拍。而在冷鐓套管表面上滾花，見圖17，對齒形設計要求比較高，為保證滾齒能壓入車身且深度合理，在做齒形設計時既要考慮冷鐓套熱處理后齒形的強度，又要防止在熱處理過程中齒形的變形[8]。經過幾輪優化，最終選用錐形齒，示意及參數見圖18及表1。

圖16 增加滾花墊片 圖17 冷鐓套管表面上滾花

圖18 齒形圖

表1 齒形參數 mm

通過臺架實驗驗證，冷鐓套管滾花壓入良好，見圖19，經整車試驗驗證50 km/h制動過100 mm深坑前懸無金屬撞擊音。

圖19 冷鐓套管滾花壓入情況

4 結論

汽車前懸由于復雜的受力環境容易造成前懸異響等聲學品質問題。通過運用FTA、仿真分析，快速研究出問題的原因和機制，并為在研車型提供了設計規避方案，節約了成本，提高了品牌競爭力。

參考文獻:

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