不同溫度下的汽車儀表板異響CAE研究*

談婷婷，杜建科，李洪亮，李 琦

(1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引 言

異響是兩個或多個相鄰部件在外力作用下，相互摩擦或撞擊產(chǎn)生的聲音，是組成汽車NVH問題的重要部分[1]。異響仿真分析可分為直接法和間接法。間接法通過計(jì)算模態(tài)[2]、剛度、傳遞函數(shù)等相關(guān)參數(shù)查找異響敏感區(qū)域；而直接法通過計(jì)算實(shí)際載荷作用下相鄰部件的相對位移，判斷是否會發(fā)生異響，分析結(jié)果更為直觀，更有指導(dǎo)性。汽車儀表板是產(chǎn)生異響問題的主要部位之一。在汽車的生命周期內(nèi)，會經(jīng)歷低溫、常溫或高溫等多種不同溫度工況下的駕駛階段，溫度會對材料特性有一定影響，進(jìn)而影響儀表板的異響性能。筆者采用直接法對儀表板在不同溫度下的異響進(jìn)行分析。

朱才朝等人[3]應(yīng)用有限元和模態(tài)分析技術(shù)研究了汽車車身結(jié)構(gòu)振動和車內(nèi)噪聲耦問題；李穎琎等人[4]在汽車產(chǎn)品開發(fā)前期，結(jié)合CAE模態(tài)分析法找出了儀表板結(jié)構(gòu)方面的弱點(diǎn)，并通過優(yōu)化減少了由共振引起的異響問題；SHIN S H等人[5]提出了一種綜合的試驗(yàn)方法，可用于降低車內(nèi)儀表板總成的異響；TATARI M等人[6]認(rèn)為對于可識別結(jié)構(gòu)動態(tài)的座椅系統(tǒng)，可以使用CAE模型進(jìn)行異響分析和控制；石建策等人[7-8]對汽車內(nèi)飾異響進(jìn)行了分析，建立了一套完整的異響CAE分析流程。

筆者對儀表板的組成材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)合DIC方法得到不同溫度下材料的彈性模量和泊松比，并作為有限元模型的材料參數(shù)輸入；通過材料兼容試驗(yàn)機(jī)測得不同溫度下材料摩擦副發(fā)生粘滑運(yùn)動的脈沖率；在不同溫度下，對儀表板潛在異響風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行CAE分析，并在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 異響的形成機(jī)理及評價(jià)方法

1.1 尖叫異響的形成機(jī)理

并非所有的相對運(yùn)動都會產(chǎn)生噪聲，只有當(dāng)物體表面接觸形成摩擦副，并發(fā)生不穩(wěn)定的摩擦粘滑運(yùn)動(Stick-slip)，才會產(chǎn)生尖叫異響。Stick-slip效應(yīng)會引起運(yùn)動部件的速度產(chǎn)生單個或連續(xù)跳躍，造成部件的張弛沖擊振動，產(chǎn)生沖擊振動噪聲[9]。

一個施加正弦激勵的Stick-slip簡化模型，其運(yùn)動方程可以寫為：

(1)

式中：Ff—摩擦力。

可以進(jìn)一步表示為：

(2)

當(dāng)μsmg不為0時，就會發(fā)生Stick-slip現(xiàn)象，在時域內(nèi)表現(xiàn)為一段粘著的時間，經(jīng)過傅里葉變換后，頻域內(nèi)既存在和激勵力波形一樣的基本頻率，同時會有更高的頻率成分出現(xiàn)[10]。

摩擦副異響聲壓級隨溫度的變化如圖1所示。

圖1 摩擦副異響聲壓級隨溫度的變化

部件相對運(yùn)動相互摩擦產(chǎn)生的尖叫聲隨溫度的變化而變化，溫度對尖叫異響的影響是非線性的。

1.2 敲擊異響的形成機(jī)理

在路面激勵下，硬質(zhì)材料與硬質(zhì)材料相互作用會產(chǎn)生敲擊異響?？臻g不足和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等都會產(chǎn)生敲擊異響，溫度引起的部件質(zhì)量、材料變形或緊固件松動等制造裝配問題也會導(dǎo)致敲擊異響。

物體間發(fā)生撞擊的時間非常短，此時的沖擊激勵可以用函數(shù)(時域值)表示為：

(3)

經(jīng)過傅里葉變換后，頻域值可表示為：

(4)

在頻域上，如果激勵力表現(xiàn)形式為δ函數(shù)形式，部件的所有頻率都可以被激勵起來。

若激勵力是半個正弦波，表達(dá)式為：

(5)

經(jīng)過傅里葉變換后，其頻域表達(dá)式為：

(6)

車身部件發(fā)生碰撞的激勵大多介于脈沖激勵和正弦激勵之間，是一種寬頻帶的激勵譜；產(chǎn)生的敲擊聲頻率也是一種寬頻帶的。

1.3 異響評價(jià)方法

根據(jù)異響的形成機(jī)理，尖叫異響主要關(guān)注的是接觸摩擦的平面切向方向，而敲擊異響則是間隙方向。一般取計(jì)算所得相對位移前30%的大幅值的平均值作為該節(jié)點(diǎn)對的相對位移。

對于尖叫異響，可以將仿真得到的最大主峰峰值與試驗(yàn)所得脈沖率的倒數(shù)(即單個脈沖相對滑動位移)進(jìn)行比較，當(dāng)滿足以下不等式時，認(rèn)為會發(fā)生尖異響：

MaxprincipalP2P(30%)≥1/ImpulseRate

(7)

對于敲擊異響，一般將相鄰部件在局部坐標(biāo)系下間隙方向的最大相對位移和部件之間的最小間隙(即Gap-Tolerance)進(jìn)行比較，滿足下列不等式時，會發(fā)生敲擊異響：

MaxRelativedisplacementZ(30%)≥Gap-Tolerance

(8)

2 參數(shù)獲取

2.1 儀表板材料性能參數(shù)

在汽車儀表板中，大量使用PP+EPDM_T20、PP_T20、PC/ABS和HDPE。為獲取這些儀表板材料在不同溫度下的性能參數(shù)，筆者對這4種材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。

材料靜態(tài)拉伸試件如圖2所示。

圖2 材料靜態(tài)拉伸試件

筆者結(jié)合DIC方法，得到了不同材料隨溫度變化的彈性模量和泊松比，為異響CAE分析有限元建模提供材料參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本試驗(yàn)采用型號為CMT-5205GD的電子萬能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為200 kN；高低溫試驗(yàn)箱可提供-70 ℃～150 ℃穩(wěn)定的溫度環(huán)境。試驗(yàn)之前，在試件表面噴斑，待其完全干燥后在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，使用CCD相機(jī)2 s拍攝記錄一次變形。

對數(shù)字圖像進(jìn)行分析求解，得到不同溫度下，材料的彈性模量E、泊松比μ如表1所示。

表1 材料的彈性模量E、泊松比μ

2.2 RPN和脈沖率

研究儀表板接觸材料的摩擦特性對識別尖叫異響很有必要。筆者采用德國Ziegler SSP-04材料兼容試驗(yàn)機(jī)，可測得材料摩擦副產(chǎn)生Stick-slip運(yùn)動的脈沖率和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(risk priority number, RPN)。RPN通常按照材料對發(fā)生尖叫異響的傾向程度分為高風(fēng)險(xiǎn)(6～10)、無風(fēng)險(xiǎn)(1～3)和臨界(4～5，有一定風(fēng)險(xiǎn))3類。

將這兩個部件放在環(huán)境艙內(nèi)，通過設(shè)置調(diào)節(jié)試驗(yàn)時溫度、濕度、壓力和運(yùn)動速度大小，可以測量不同溫度和不同工況下RPN和脈沖率。

本次試驗(yàn)中，4種工況的力和速度參數(shù)如表2所示。

表2 4種工況的力和速度參數(shù)

本次試驗(yàn)測試溫度包括低溫-30 ℃和10 ℃、常溫23 ℃和高溫50 ℃。

本文關(guān)注的材料對為PC/ABS和包覆材料PVC在不同溫度和工況下的摩擦特性，其RPN值和脈沖率如表3所示。

表3 RPN值和脈沖率

試驗(yàn)結(jié)果顯示：PC/ABS和PVC在低溫-30 ℃無風(fēng)險(xiǎn)，相互接觸不會產(chǎn)生尖叫異響，所以該溫度下無需進(jìn)行尖叫異響的CAE分析；在10 ℃、23 ℃和50 ℃均為高風(fēng)險(xiǎn)，說明該材料不兼容，容易產(chǎn)生異響風(fēng)險(xiǎn)，對發(fā)生Stick-slip運(yùn)動的脈沖率求倒，即可得到在10 ℃、23 ℃和50 ℃溫度下單個脈沖相對位移的范圍分別為1.290 3 mm～2.926 5 mm、0.066 4 mm～1.153 8 mm、0.124 mm～0.535 7 mm。該相對位移的范圍值可作為儀表板是否存在尖叫異響的判斷依據(jù)。

3 不同溫度下的異響仿真分析

3.1 異響仿真建模

筆者使用有限元軟件Hyperworks的異響分析專用模塊SNRD進(jìn)行分析，該軟件利用實(shí)際載荷條件，沿潛在異響問題的邊界創(chuàng)建評估線(evaluation line， E-Line)，計(jì)算相鄰兩部件的相對位移，直接判斷風(fēng)險(xiǎn)部位是否會發(fā)生敲擊異響或尖叫異響。

儀表板和半截車身的有限元模型如圖3所示。

圖3 儀表板和半截車身的有限元模型1-ELine9000019；2-ELine1039010；3-ELine2400011

主要分析邊界為E-Line9000019、E-Line1039010和E-Line2400011。

間隙尺寸信息(DTS)如表4所示。

表4 間隙尺寸信息(DTS)

E-Line9000019和E-Line1039010邊界處兩相鄰部件的最小間隙均為0.25 mm，可能存在敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)；E-Line2400011邊界處兩相鄰部件間隙為0，相互接觸。由材料兼容性試驗(yàn)可知，中央裝飾板本體材料PC/ABS與右包覆飾板本體的包覆材料PVC不兼容，相互接觸存在尖叫異響風(fēng)險(xiǎn)。

對存在風(fēng)險(xiǎn)的邊界處創(chuàng)建E-Line，E-Line建模方法如圖4所示。

圖4 E-line建模方法

首先，筆者在兩相鄰部件之間建立一條曲線(3D line)用來定義一系列節(jié)點(diǎn)對，兩節(jié)點(diǎn)分別位于不同的部件上，中間用可定義剛度值的彈性連接單元CBUSH模擬，3D line和這些節(jié)點(diǎn)對就構(gòu)成了E-Line。另外，需要將節(jié)點(diǎn)對定義在沿主面創(chuàng)建的局部坐標(biāo)系中，其z向指向相鄰部件的間隙方向，xy平面為接觸摩擦平面。

分析尖叫異響時需定義CBUSH沿局部坐標(biāo)系z向剛度值1 000 N/mm，因此，可以忽略該方向的相對位移，瞬態(tài)響應(yīng)分析所得的節(jié)點(diǎn)對相對位移就被繪制在局部坐標(biāo)系xy平面上；在此基礎(chǔ)上，筆者定義峰峰值的主方向，再將局部坐標(biāo)系進(jìn)行變換，使其x向與峰峰值的主方向重合，峰峰值的最大值即為最大主峰峰值，用于評價(jià)尖叫異響。

筆者利用比利時路面上采集的路譜信號進(jìn)行激勵，計(jì)算頻率為0～80 Hz，瞬態(tài)響應(yīng)分析可以輸出模型上所有節(jié)點(diǎn)的位移，后處理即可得到E-Line上節(jié)點(diǎn)對在局部坐標(biāo)系下的相對位移。

3.2 分析結(jié)果

E-Line上的節(jié)點(diǎn)對在不同溫度下產(chǎn)生的相對位移如表5所示。

表5 E-Line上的節(jié)點(diǎn)對在不同溫度下產(chǎn)生的相對位移

E-Line9000019處節(jié)點(diǎn)對最大相對位移在50 ℃時超過兩部件間的最小間隙，會發(fā)生敲擊異響；在-30 ℃、10 ℃和23 ℃時，最大相對位移均小于部件最小間隙，不會發(fā)生敲擊異響；同理，E-Line1039010處在-30 ℃、10 ℃、23 ℃和50 ℃時都會發(fā)生敲擊異響。對于E-line 2400011,根據(jù)材料兼容性試驗(yàn)研究結(jié)果，在10 ℃時節(jié)點(diǎn)對最大相對位移值小于PVC-PC/ABS材料摩擦副單個脈沖產(chǎn)生相對位移，不會發(fā)生尖叫異響；而在23 ℃和50 ℃時大于單個脈沖產(chǎn)生的相對位移，會產(chǎn)生尖叫異響，且隨著溫度升高，最大相對位移也越大。

根據(jù)不同溫度下的異響分析結(jié)果可以看出：同一邊界，在溫度較低的情況下，不會產(chǎn)生異響，隨著溫度升高，產(chǎn)生異響的風(fēng)險(xiǎn)會隨之增大。

針對分析結(jié)果，筆者提出建議：(1)增大左下護(hù)板本體和儲物盒蓋板之間以及儀表板本體之間的間隙，以減小高溫時發(fā)生敲擊異響；(2)在部件內(nèi)板增加卡扣或加強(qiáng)筋數(shù)量，使部件連接更加緊固，提高部件剛度，達(dá)到減小甚至消除儀表板本體與左下護(hù)板本體間的敲擊異響；(3)更換右側(cè)飾板本體表面的包覆材料消除尖叫異響，前提是保證更換后的材料與PC/ABS兼容，相互接觸不會產(chǎn)生尖叫異響。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

筆者選擇在常溫下對儀表板異響問題進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)時將儀表板安裝在半截車身上，并固定在振動臺上，采用MB Dynamic 公司的激振系統(tǒng)，用比利時路譜信號進(jìn)行激勵；在E-Line9000019、E-Line1039010上選取適量節(jié)點(diǎn)對進(jìn)行布點(diǎn)，用加速度傳感器測得每一個節(jié)點(diǎn)的加速度，然后將信號進(jìn)行積分和濾波處理，即可得到每一個節(jié)點(diǎn)對在局部坐標(biāo)系下的相對位移。

筆者在E-Line上取相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)對，試驗(yàn)值與仿真值對比圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)值與仿真值對比圖

兩條曲線趨勢基本一致，且在左側(cè)下護(hù)板與儀表板本體相鄰位置缺少支撐部件，振動幅度較大，能夠聽到明顯的敲擊聲；中央裝飾板與右側(cè)包覆飾板相鄰位置聽到有“吱吱”的異響，與仿真結(jié)果相同，可以認(rèn)為異響仿真方法有效可行。

5 結(jié)束語

針對汽車儀表板在不同溫度下存在的異響問題，筆者對儀表板的主要材料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和材料兼容性試驗(yàn)。結(jié)論如下：

(1)試驗(yàn)測得了不同溫度下儀表板材料PP+EPDM_T20、PP_T20、PC/ABS和HDPE的彈性模量和泊松比，作為有限元模型的參數(shù)輸入；同時測得了PVC-PC/ABS材料摩擦副的異響風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和脈沖率，為儀表板尖叫異響的識別提供了參考依據(jù)；

(2)建立了不同溫度下的異響CAE分析模型，利用瞬態(tài)響應(yīng)分析對其進(jìn)行了求解，結(jié)果顯示：E-Line9000019在-30 ℃、10 ℃和23 ℃時不會發(fā)生敲擊異響，在50 ℃時會發(fā)生敲擊異響；E-Line1039010在-30 ℃、10 ℃、23 ℃和50 ℃時均會發(fā)生敲擊異響；E-Line2400010在-30 ℃和10 ℃時不會發(fā)生尖叫異響，在23 ℃和50 ℃時會發(fā)生尖叫異響。隨著溫度升高，節(jié)

點(diǎn)對的最大相對位移也增大，產(chǎn)生異響的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大；針對該結(jié)果提出了預(yù)防和減小異響發(fā)生的建議；

(3)在常溫23 ℃設(shè)計(jì)了異響試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真曲線與試驗(yàn)曲線趨勢基本一致，說明異響仿真和試驗(yàn)具有良好的一致性，證明了該建模和仿真方法的可行性和仿真結(jié)果的可靠性。