模態分析在輕型載貨汽車變型設計中的應用

田海洲 文

概要：隨著對汽車乘座舒適性要求的不斷提高，載貨汽車的振動和噪聲逐漸成為用戶關注的重要指標之一。控制振動噪聲的手段很多，其中模態分析是一種常用的、非常有效的控制方法。基于此，本文主要針對模態分析在輕型載貨車變型設計中的應用進行了分析和探討。

目前，對結構動態特性的預測、模態參數的獲取和修改已經不是很困難的事。特別在進行變型車設計時，利用模態試驗和模態分析能有效地測量因結構改變而引起的汽車系統動態特性的變化，避免因個別子系統結構變化引起整車振動性能的惡化。

1 整車模態頻率規劃表

整車模態頻率規劃表是為避免相連系統出現共振，規劃各系統的模態頻率范圍所制成的表格。汽車上各個系統是相互連接在一起的，相連系統的模態頻率一定要分開，以免同時發生共振。在汽車開發過程中，各個系統的開發既相互關聯又相對獨立，整車模態頻率規劃表能夠指導各個系統的設計，調節各個系統之間的關系，使相連系統的模態分離。整車模態頻率規劃表從設計階段就開始考慮避開相連接部件的頻率，從而減少由試驗出現共振現象后再修改結構的反復過程。

2 變型車開發中出現的共振問題及其分析

某國產1.5 t輕型載貨車，其基本車型為單排駕駛室車型。為滿足部分客戶對雙排駕駛室車型的需求，要在基本車型的基礎上進行雙排駕駛室車型設計。安裝雙排駕駛室，需將基本車型的空氣濾清器及其支架位置在整車中后移520 mm。根據通用化、系列化設計原則，此變型車設計時仍借用基本車型的空氣濾清器及其支架。變型車物理樣車性能試驗時，發現空氣濾清器支架在行車時劇烈抖動，造成空氣濾清器與進氣道漏氣，嚴重影響發動機的進氣質量。該問題在基本車型中卻沒出現。為找到空氣濾清器支架在行車時劇烈抖動的原因，分別對車架及與之相連的空氣濾清器支架進行模態試驗分析和模態計算。

2.1 車架模態試驗分析

模態振動試驗系統主要包括下面幾部分:(1)激振部分，包括信號發生器、功率放大器和激振器等；(2)信號測量和數據采集記錄部分，一般包括加速度傳感器、阻抗頭、電荷放大器、數據轉換和記錄裝置等；(3)信號分析和頻響函數估計部分，通常由模態分析軟件和計算機硬件組成。

車架振動模態試驗利用彈簧懸吊法將車架用四根彈性剛度較小的彈簧懸吊在剛性良好的支架上，車架保持水平。懸掛點分別位于前、后橋正上方附近，與車架相連處為4個質量很小的掛鉤，這樣車架接近于自由狀態。激振點選擇的原則是使激振力易于傳向結構的各個部位，并避開振動節點，結構薄弱環節和懸掛點(支撐點)，且考慮安裝方便。本試驗使用兩個激振器，激振點分別選在左縱梁最前部和右縱梁最后部成對角激振，不僅滿足激振點選擇原則，而且在該點激振，對車架的對稱及反對稱模態都能夠呈現出最大的變形量。將26個ICP三向加速度傳感器依次對稱布置在車架縱梁上，加速度響應測點位置、數目和測振方向確定的基本原則是:能夠明確顯示研究頻率范圍內的結構模態振型；保證研究的關鍵點在測點范圍內；測量方向一般與激振方向一致。試驗使用LMS公司生產的多點激振模態分析系統，測試頻率范圍是0～100 Hz。測得車架固有頻率和相應振型如表1所示。

2.2 計算空氣濾清器支架頻率

利用CAD軟件建立空氣濾清器支架三維模型，導入CAE軟件中進行網格劃分和參數設置，并對其進行模態計算。由于空氣濾清器支架是由薄壁圓管和薄板組成，故采用殼單元進行網格劃分。對焊點的處理目前還沒有十分成熟的技術，本文對焊接部位采用節點之間的剛性耦合來模擬。該處理方法低階模態具有較高的精度，但在高階模態時誤差較大。由于本文主要是對低階模態進行求解，所以采用該方法的精度能滿足要求。求出一階模態頻率為19.86 Hz。

表1 車架模態頻率和振型

2.3 空氣濾清器支架抖動分析

由車架模態試驗分析和空氣濾清器支架有限元模態計算結果不難看出，空氣濾清器支架的一階模態頻率(19.86 Hz)與車架的一階彎曲頻率(21.43 Hz)非常接近，車架的一階彎曲振動很容易激起空氣濾清器支架的共振。由于單排駕駛室基本型濾清器支架安裝位置在車架一階彎曲的節點附近，沒有引起共振。而雙排駕駛室變型車空氣濾清器支架安裝位置后移520 mm，遠離車架一階彎曲的節點，所以在變型車上，空氣濾清器及其支架會出現劇烈抖動。若事先采取整車模態頻率規劃表便能很容易地避免該問題的發生。

3 解決方案

由于整車布置空間的局限，不能將雙排駕駛室的空氣濾清器支架布置在車架一階彎曲節點的附近，而通過改變車架模態來適應空氣濾清器支架模態，可能會由于車架模態的變化引起車架與其他系統模態不匹配，導致該方法也是行不通的。現在可行的、也是非常有效的辦法就是通過改變空氣濾清器支架的結構達到調整模態頻率的目的，使其固有模態頻率遠高于車架一階彎曲模態頻率，從而避免共振。

為提高空氣濾清器支架的固有模態頻率，對支架結構進行改進設計，并對新結構進行模態計算。詳細改進方案及改進后的模態計算如表2所示。

表2 空氣濾清器支架的改進方案及固有模態頻率

由表2可以看出，在各種方案中增加支架直徑對提高固有頻率較為明顯。雖然支架直徑由40 mm增加到50 mm，但支架壁厚由4 mm變為3 mm，支架自質量比原方案還略有降低。其余改進方案均使工序復雜或自質量增加，且對提高固有頻率作用不太明顯。故采用方案4，該方案固有頻率為31.48 Hz。僅車架的一階彎曲頻率是21.43 Hz，當其他系統安裝到車架上時，在整車上測量車架的固有頻率要低于21.43 Hz。顯然，空氣濾清器支架固有頻率與車架一階模態頻率之比大于√2，這樣由車架一階彎曲引起的振動很難激起空氣濾清器支架的固有頻率。將改進后的支架安裝在變型車上，經實車驗證空氣濾清器沒有出現劇烈抖動現象，問題較好地得到解決。

4 結語

綜合以上分析，本文所研究的載貨車車架各橫梁布置得當，固有頻率過渡平緩，能夠很好地避開動力總成、路面等傳遞而來的頻率段，不會引起車輛的共振現象，從而提高了車輛的平順性和可靠性。