汽車儀表板異響仿真優化及試驗研究

朱翔麟，許 翔，謝 然，張 華，李文奇

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434）

異響性能是汽車NVH性能的重要組成部分，是影響乘坐舒適性的關鍵因素之一。儀表板作為整車內飾中的重要組成部分，其異響性能直接影響著乘客對汽車品質的印象，當其相鄰部件在激勵下產生相對移動時，可能引起摩擦異響與敲擊異響[1]（Squeak and rattle,S&R）。為了在產品開發前期預防異響問題，一些學者總結出系統的異響分析方法，如對結構模態、剛度、靈敏度的控制。甘志常[2]認為儀表板模態頻率如果與發動機怠速激勵頻率重合，將因振動產生異響。在開發前期須對儀表板系統進行模態優化工作，并進行了相關的模態試驗。郭佑民等[3]對儀表板進行了模態、靈敏度分析，并對比了道路、四通道主觀評價結果，展示了一套系統性的儀表板異響問題評估與優化設計方法。李穎琎等[4]通過對儀表板結構剛度進行優化來減少部件之間發生碰撞和摩擦的機會，避免共振現象的發生。魏秋君[5]利用仿真方法對儀表板卡扣安裝點進行振動傳遞分析，判斷可能產生異響的卡扣位置，通過優化來降低卡扣安裝點的速度響應，從而減少異響的發生。

利用仿真分析，計算模態、剛度、靈敏度等相關參數，均為間接的控制異響問題的方法，其優點是成本低、計算簡單及對模型要求低，但這些方法無法直觀地顯示異響結果，并且需要經驗判斷異響的情況。本文采用一種新的異響仿真方法——異響評價線（S&R evaluation line）法，簡稱E-line 法。該方法可在產品開發前期，通過輸入試驗場典型路面路譜進行頻響分析，計算部件間的相對位移，結合評估部位的設計間隙，判斷異響風險[6-7]。該方法將仿真結果與實際問題直接關聯，直觀地顯示鄰近系統、部件的異響的情況，分析的結論更有指導性。

本文針對某SUV的儀表板總成，利用CAE分析技術結合E-line 方法進行敲擊異響的識別與控制，提出了修改卡扣連接以及增加限位筋的優化方案，降低了敲擊異響風險率，通過四立柱異響主觀評價試驗證明了優化方案的有效性。

1 異響識別與評估方法

1.1 E-line方法

汽車敲擊異響的主要激勵源是通過懸架系統傳遞來的路面激勵。在外界激勵的作用下，相鄰兩物體會發生碰撞產生類似咔嗒聲的敲擊聲。敲擊異響主要與部件之間接觸面法向運動有關[8]。因此以相對位移為主要評價參數進行敲擊異響識別與分析。

為了得到準確的相對位移值，在部件間隙處建立一條以節點對組成的異響評價線，稱為E-line。ELine上節點對的其中一個節點位于待評價部件的表面上，另一個節點位于其相鄰部件的表面上。每一個節點對都定義在各自沿部件表面建立的局部坐標系當中，局部坐標系Z向為相鄰部件間隙方向，局部坐標系XY 平面為相鄰部件接觸平面。對每一個節點對，定義C-BUSH 單元來連接兩部件。C-BUSH單元可以定義剛度，是一種彈性連接單元，其兩端節點的位移將被用于敲擊異響的仿真分析當中。Eline 法采用Z 向（接觸面法向）位移作為敲擊異響分析的指標。

相對位移只有在時域內獲取和分析才有意義，所以使用瞬態響應分析方法計算模型的相對位移。通過實際路面采集的路譜信號進行頻響分析，頻率響應能定量地表征模型或者系統的特點，得到的結果是由帶有幅值和相位的向量構成，它可以作為一個頻率響應函數。計算得到兩組件間隙方向的相對位移值后，與間隙尺寸信息（DTS）文件中的間隙尺寸信息比較，判斷是否有敲擊異響風險。

1.2 風險率

為了對異響問題進行量化分析，利用風險率來評判結構是否達到目標要求。風險率的評估主要根據“小概率事件”基本思想以及“3σ”原則概率統計方法，“小概率事件”認為事件發生的概率小于5%，則該事件在一次試驗中是不會發生的。正態分布的“3σ”原則是把區間（μ-3σ，μ+3σ）看作是隨機變量X實際可能的取值區間，X落在（μ-3σ，μ+3σ）以外的概率小于千分之三，所以在實際問題中常認為該事件是幾乎不可能發生的。

DTS 文件中的間隙公差滿足以間隙G 為均值，以公差T為3σ的正態分布假設，計算相對位移在該正態分布的概率即為風險率。評價方法為：風險率小于1 %為小風險，1 %～10 %為中等風險，大于10%為大風險。對風險率超過1%的間隙進行結構優化。

2 儀表板異響仿真分析

采用Hyper Works SnRD 平臺進行異響分析，該平臺可自動從OptiStruct 求解器得到的結果文件中判斷出異響的危險點，簡化了從模型創建到結果可視化的整個異響仿真流程。

2.1 儀表板異響仿真模型

本文分析的異響仿真模型為帶儀表板系統的整備車身模型，如圖1所示。其中儀表板系統包含儀表板總成、副儀表板總成、儀表板橫梁總成等。

圖1 帶儀表板系統的整備車身模型

首先確定敲擊異響分析的重點關注部位，例如，硬質材料與硬質材料相互碰撞可能產生敲擊聲。然后采用Hyper Works 的SnRD 模塊對儀表板所關注的各間隙建立E-line，如圖2所示。同時獲取相鄰部件的DTS 數據，即間隙和公差，以便后處理時直接與相對位移對比。如IP23 為檢修口與駕駛下飾板邊界，間隙值為1.5 mm，公差為0.5 mm。IP25 一鍵啟動面板與駕駛下飾板邊界，間隙值為0.5 mm，公差值為0.5 mm。

圖2 儀表板有限元分析邊界示意圖

每條E-line由CBUSH單元和RBE3單元連接的節點對組成。為了使計算出的相對位移更符合實際，對每個節點對建立局部坐標系，定義接觸平面為XY平面，接觸面的法向為Z向，如圖3所示。分析敲擊異響時，CBUSH單元在局部坐標X、Y、Z向的剛度值均設置為0。

圖3 E-line建模

2.2 路譜采集

在試驗場典型路面進行實車載荷采集，對每個車身減震器安裝點測取XYZ 三向加速度信號，然后進行濾波迭代等處理，得到在有限元模型中加載的時域強迫位移信號，如圖4所示。

圖4 位移激勵信號

位移信號的加載點為有限元模型中的減震器安裝點。SnRD 模塊會在加載點處自動生成SPC 和SPCD 兩種約束，此時需要將SPC 下的約束變為全約束，SPCD 下的約束方向為加載方向，選擇XYZ 向加載。

2.3 求解設置

本次異響分析需要設置兩個工況，一個工況為模態求解，另一個工況為時域內的頻率響應計算。設置求解頻率范圍0 Hz～80 Hz。設置輸出響應類型為節點位移。

前處理完成后，提交OptiStruct求解器計算。計算完成后將結果文件導入HyperView進行后處理。

2.4 結果分析

在敲擊異響分析結果中，只取較大的部分相對位移值，因此引入百分比峰值概念，將E-line時域上計算的相對位移結果進行排序，取前30%的最大值求得均值，即為該E-line 上最大的相對位移值。分析邊界中各節點在載荷激勵下的相對位移云圖如圖5所示。

圖5 相對位移分析結果

由于分析敲擊異響，提取每條間隙的Z 向最大相對位移值，根據DTS 文件中對應的間隙公差值，計算風險率，如表1所示。

表1 IP各邊界敲擊風險評估匯總表/mm

由上表可知，在典型異響試驗路面的激勵下，主儀表板分析邊界IP25、IP35的相對位移風險率較高，大于1%，需要進行優化。

3 優化措施

3.1 結果改進方案

適用于敲擊異響的優化方向主要有：加強結構整體剛度；優化卡扣的連接位置；調整初始間隙值；增加限位結構。根據對上述結果分析總結導致相對位移較大的原因，結合工程經驗及設計要求考慮方案的可實施性，提出如下改進方案：

（1）針對組合儀表護板和裝飾亮條之間相對位移超標，在裝飾亮條內部如圖6所示位置增加限位結構，限制邊界在整體坐標系下X 向的相對位移。該山字形限位筋厚度1.2 mm，并設計導向斜面，有利于增加限位筋強度。

（2）在一鍵啟動面板增加一處螺釘與IP骨架連接，如圖7所示。來加強結構局部剛度，減小此處產生間隙的變形。將上述改進方案同時實施后，重新進行計算分析。

圖6 邊界IP25優化方案

圖7 邊界IP35優化方案

3.2 優化后結果分析

圖8、圖9表示分析邊界IP25、IP35 各節點對的相對位移，在Rattle分析中只關注Z向曲線，虛線、實線分布表示優化前和優化后的Z 向曲線相對位移值。從上述折線圖中可以看到：提出的改進方案起到了抑制組合儀表護板和裝飾亮條間隙，一鍵啟動面板和駕駛側下護板間隙的相對位移作用。采用以上優化方案后邊界IP25、IP35 的敲擊異響風險率小于1%，存在敲擊異響危險的區域消除，說明上述改進方案有良好的抑制敲擊異響的效果，分析結果見表2。

圖8 IP25優化前后相對位移折線圖

圖9 IP35優化前后相對位移折線圖

表2 優化后各邊界敲擊風險評估匯總表

4 整車四立柱異響試驗

將車輛固定在四立柱設備上，如圖10所示。該激振臺由四個激振器組成，分別為四個輪胎傳遞振動，本次試驗采用實車采集的載荷譜為輸入信號，專業評價人員可以坐在車內仔細并且清晰地聽到異響發生的部位，與路試相比，可以對異響部位進行更精準的識別[9]。進一步確定異響根本原因，綜合評估得出最可行并且成本最低的方案進行改進[10]。

圖10 整車四立柱激振臺

為模擬車輛在極限氣候下的異響情況，試驗分為三種工況，分別是常溫、低溫和高溫。在動態評價前，車輛應在環境倉中進行浸泡，浸泡是指把整車在將要試驗的環境溫度下靜置。為使試驗車上各個部件都能達到環境溫度，車輛應在標準溫度下放置一定時間，

對該車型的兩臺整車分別進行四立柱異響試驗，記錄出現問題的車輛與問題具體描述等信息。得到的動態評價試驗結果中與儀表板有關的問題點共3項，其中問題1為裝配問題，其余為設計問題，經整改后異響問題均消除。詳細信息匯總如表3所示。

表3 動態評價試驗結果

通過與仿真分析結果對比，發現采用改進方案后，各分析邊界均未發生異響。為進一步驗證仿真與試驗的一致性，將樣車調整至優化前狀態，即拆卸一鍵啟動面板處增加的螺釘，再次進行四立柱異響試驗。發現在四立柱低溫評價時，一鍵啟動面板附近有嗒嗒聲出現，將一鍵啟動面板和駕駛側下護板用毛氈隔離后異響消失。該問題點對應IP35 間隙分析結果。直接驗證了優化方案的有效性。

5 結語

本文展示了一套系統性的儀表板敲擊異響問題研究方法：

（1）在產品開發前期，仿真評估儀表板各間隙出現異響的風險率，通過增加限位結構與加強結構連接，控制部件間的相對位移，以減小敲擊異響風險；

（2）在后期樣車調教階段，進行了整車四立柱異響試驗，確認異響風險位置并查找原因，經整改后異響問題均消除；

（3）異響評估的各邊界在試驗中均未發生異響，與仿真結果相符。若未采用優化方案，邊界IP35在四立柱低溫評價時發生異響，進一步驗證了該仿真分析方法的必要性。

因此，將該方法納入到整車異響正向開發流程，可以在設計前期發現異響問題，提出改進方案，將大大減少后期驗證階段出現的問題，節省工程開發的費用和時間。