提升車身動剛度解決車內(nèi)轟鳴現(xiàn)象的研究

宋志輝，郭錦鵬，湯湧

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

當(dāng)今汽車行業(yè)快速發(fā)展，自主品牌汽車經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已從一開始的完全模仿，經(jīng)過不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，目前整體技術(shù)水平已經(jīng)有了顯著的提高，與此同時(shí)，汽車用戶對汽車的各個(gè)方面要求也在不斷提高。車內(nèi)噪聲是在用戶體驗(yàn)中，較為被關(guān)注的一項(xiàng)體驗(yàn)。也是用戶對車輛品質(zhì)評價(jià)高低的最直接的一項(xiàng)性能，而在車內(nèi)的噪聲[3]中，發(fā)動機(jī)轟鳴噪聲是最被關(guān)注的，也是一直以來都被當(dāng)做問題來解決的一項(xiàng)噪聲。它嚴(yán)重影響駕乘體驗(yàn)，破壞駕駛者和乘客心情，并且發(fā)動機(jī)的震動激勵特質(zhì)固定，想在發(fā)動機(jī)本體上來解決問題，路途漫長而久遠(yuǎn)；若以在發(fā)動機(jī)艙增加隔音材料方式解決，整車成本勢必將大幅度增加，且無法做到全部艙壁包裹增加，總有因細(xì)小之處缺失而成為短板，且舉措無奈，收效與投入相比較低，因此，快速、高效的解決問題就落在了優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提升車身動剛度[4]之上。本文通過以上思路，在某SUV 上開展優(yōu)化，通過CAE 仿真計(jì)算分析，NVH 試驗(yàn)排查，找出關(guān)鍵點(diǎn)結(jié)構(gòu)，制定高效方案，改制車路試驗(yàn)證，最終以最高效的方案解決了車內(nèi)發(fā)動機(jī)轟鳴問題。

1 問題現(xiàn)象描述

某新研發(fā)的SUV 樣車，NVH 工程師在做NVH 性能測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，車輛駕駛室有明顯的轟鳴現(xiàn)象[5]，經(jīng)過總結(jié)最終確定車輛在加速到2550rpm(85Hz)和3600rpm(120Hz)時(shí)，即產(chǎn)生較為明顯的轟鳴，測試圖譜中同時(shí)會出現(xiàn)較為明顯的波峰，如圖1 所示。

圖1 NVH 測試圖譜

而且，通過CAE 對車身發(fā)動機(jī)懸置安裝點(diǎn)的動剛度仿真分析輸出的圖譜結(jié)果來看：分別在85Hz 和120Hz，兩個(gè)位置的車身發(fā)動機(jī)懸置安裝點(diǎn)Z 向動剛度出現(xiàn)波谷，可與整車轟鳴現(xiàn)象相對應(yīng)，如圖2 所示。

圖2 CAE 仿真圖譜

通過以上結(jié)果，捋清了一個(gè)解決問題的思路，如圖3 所示。

圖3 思路圖

2 解決過程

2.1 原因分析

在分析前述CAE 輸出的車身發(fā)動機(jī)懸置安裝的Z 動剛度曲線來看，認(rèn)為是車身機(jī)艙的某個(gè)位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，因此才在85Hz 和120Hz 的兩個(gè)點(diǎn)上拉低了曲線，產(chǎn)生了兩個(gè)波谷。為驗(yàn)證此種猜想，采用CAE 仿真手段輸出了85Hz應(yīng)力分布和動畫，如圖4。

圖4 應(yīng)力分布圖

通過分析應(yīng)力分布和動畫，可發(fā)現(xiàn)，在防撞梁與車身安裝端部，和整體前端框架位置存在較為明顯的應(yīng)力集中，且在輸出動畫中，晃動量較大。

2.2 制作提升方案并CAE 分析

以CAE 仿真手段輸出的應(yīng)力分布和動畫作為指導(dǎo)，制作出多種優(yōu)化方案，同時(shí)進(jìn)行仿真對比分析，如圖5。

圖5 優(yōu)化方案將以上方案單獨(dú)、共同以及排列組合進(jìn)行CAE 仿真分析，典型結(jié)果曲線如圖6。

圖6 2 優(yōu)化方案CAE 曲線

通過以上方案的CAE 仿真分析結(jié)果，總結(jié)認(rèn)為，共有“前端框架塑料改鋼”和“縱梁端接頭優(yōu)化+防撞梁連接端優(yōu)化”，兩方案從仿真結(jié)果上來看均能提升85Hz 和120Hz 兩點(diǎn)的動剛度，使原來兩點(diǎn)曲線的波谷消失。

2.3 改制樣車驗(yàn)證

根據(jù)CAE 仿真分析優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，制作樣件和改制樣，如圖7。

圖7 改制零件示意

兩種優(yōu)化方案改制的樣車，經(jīng)過NVH 工程師進(jìn)行的測試，從主觀表現(xiàn)和試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，均表明問題得到明顯改善，與CAE 仿真分析結(jié)果相符合，NVH 測試圖譜如圖8。

圖8 NVH 測試圖譜

2.4 方案選擇

根據(jù)CAE 仿真分析和改制樣車的試車測試驗(yàn)證，解決這款車的駕駛室內(nèi)發(fā)動機(jī)轟鳴問題，可有兩個(gè)方案供選擇，即“前端框架塑料改鋼”和“縱梁端接頭優(yōu)化+防撞梁連接端優(yōu)化”。結(jié)合本車型現(xiàn)開發(fā)狀態(tài)，散熱器結(jié)構(gòu)開發(fā)完成、縱梁結(jié)構(gòu)固化、塑料前端框架已開發(fā)完成等，由于當(dāng)前的諸多限制因素，新的“鋼質(zhì)的前端框架”需有五十多個(gè)單個(gè)鈑金件構(gòu)成，開發(fā)成本和單車成本均遠(yuǎn)高于原“塑料的前端框架”，且增重8.6kg。而“縱梁端接頭優(yōu)化+防撞梁連接端優(yōu)化”方案，其中“縱梁端接頭優(yōu)化”由于原零件為自焊接沖壓件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式后，取消自焊接，單件成本略有下降，僅“防撞梁連接端優(yōu)化”成本有略微增加；綜合分析，最終選擇采用“縱梁端接頭優(yōu)化+防撞梁連接端優(yōu)化”方案實(shí)車實(shí)施。

3 總結(jié)分析

前文已經(jīng)闡述，產(chǎn)生駕駛室內(nèi)發(fā)動機(jī)轟鳴原因之一，可能是某一點(diǎn)的動剛度不足，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連接是否具有完整性，和承載大質(zhì)量的位置點(diǎn)，都是我們要考察的關(guān)鍵。之后我們總結(jié)分析了某SUV 前艙結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)，如圖9。

圖9 某SUV 前艙結(jié)構(gòu)連接解析

通過“某SUV 前艙結(jié)構(gòu)連接解析”圖我們發(fā)現(xiàn)，這款SUV 前艙有三種材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件，即鋼質(zhì)車身、塑料前端框架和路合金材質(zhì)防撞梁，而材料屬性中一個(gè)主要特性為“彈性模量[6]”，我們通過“彈性模量”定義即，是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，和“動剛度”定義即，動載荷下抵抗變形的能力，了解到動剛度和材質(zhì)屬性具有一定關(guān)系。因此，總結(jié)認(rèn)為：多種材料共同應(yīng)用時(shí)，應(yīng)著重關(guān)注結(jié)構(gòu)連接連續(xù)性與材質(zhì)的特性。這款SUV 所采用的三種材料的彈性模量分布，如圖10。

圖10 材料屬性圖

綜上所分析，發(fā)艙最前端特點(diǎn)是，載有大質(zhì)量（散熱器），承力力矩最長（支點(diǎn)視為前輪著底面），要求剛度應(yīng)很大。而彈性模量小的材質(zhì)對動剛度提升貢獻(xiàn)很小，甚至小于因重量增加造成的動剛度損失。

4 結(jié)束語

通過此次成功提升車身動剛度并最終解決車輛駕駛室發(fā)動機(jī)轟鳴問題的過程，為我們以后在新車型開發(fā)設(shè)計(jì)過程中提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為后續(xù)類似問題的解決提供了參考思路。