重型商用汽車擋泥板支架振動頻率分析及優(yōu)化

陳 沖，種 暉，張 靖

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

1 當前擋泥板支架存在的問題

在汽車的性能指標中，用戶對NVH性能的敏感度最高，其優(yōu)劣直接影響到產品在市場上的競爭力。附件系統(tǒng)的NVH主要是指擋泥板支架總成的模態(tài)頻率，擋泥板支架的剛度不足會引起在怠速頻率下，擋泥皮和擋泥板的整體振動，并伴隨著振動噪聲的產生，一般會引起客戶抱怨等負面影響。擋泥板總成在整車發(fā)動機怠速下發(fā)生抖動并且產生嚴重噪聲，主要原因可能是由于發(fā)動機怠速頻率與擋泥板支架的怠速頻率相吻合[1]，從而產生共振導致的。因此，對當前擋泥板支架進行CAE仿真計算分析，從模態(tài)仿真和試驗兩方面驗證是否發(fā)生共振，進而優(yōu)化擋泥板結構，避免發(fā)生共振。

1.1 擋泥板支架總成的有限元仿真分析

采用Hypermesh有限元仿真軟件，按照擋泥板總成實際裝車狀態(tài)建立其三維仿真模型，對具有完整的不規(guī)則結構的支架總成，采用四面體單元劃分有限元網格；車架總成等規(guī)則實體建立采用抽中面劃分單層網格的方式建立其有限元模型；對于擋泥皮等不具有實體結構的模型，通過Hypermesh軟件的RBE3單元配重，相當于達到實際的質量。有限元模型共568 031個單元總數，共有428 813個節(jié)點，建立的有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 擋泥板總成的有限元仿真模型

1.2 模態(tài)頻率仿真分析

對搭建完成的擋泥板支架總成按照實際裝車狀態(tài)進行約束，賦予擋泥板支架和車架材料屬性，如表1所示。

表1 擋泥板支架材料參數

擋泥板支架底座安裝孔和車架縱梁采用RBE2單元建立螺栓約束，約束車架縱梁截面的全部自由度，計算其前6階模態(tài)，擋泥板支架第五階模態(tài)頻率如圖2所示。通過CAE軟件仿真分析計算結果表明：擋泥板支架的第五階模態(tài)頻率和發(fā)動機的怠速頻率較為接近，在怠速情況下發(fā)生共振的可能性較大，其前六階振型和頻率如圖2所示。

圖2 擋泥板支架的前六階振動頻率和模態(tài)分布

擋泥板支架總成的低頻共振問題主要是車輛在怠速時支架總成的固有頻率與發(fā)動機的怠速頻率發(fā)生耦合導致。發(fā)動機怠速工況下的激勵主要是往復慣性力，怠速頻率主要與發(fā)動機轉速和氣缸數相關[2]。某重型商用車發(fā)動機為六缸，四沖程發(fā)動機，發(fā)動機怠速700～1 000 r/min，可以獲得發(fā)動機怠速頻率：

式中，fd為怠速頻率；nd為發(fā)動機怠速；G為發(fā)動機氣缸數。

理論計算發(fā)動機怠速頻率與擋泥板支架的第五、六階固有頻率相接近，擋泥板支架總成發(fā)生共振，一般要求發(fā)動機怠速頻率避開30±2 Hz即可，為驗證當前結論的可靠性對支架總成進行頻響試驗。

2 優(yōu)化方案

依據模態(tài)仿真和頻響試驗結果發(fā)現(xiàn)：擋泥板支架總成的固有頻率與發(fā)動機的怠速頻率相吻合，因此需要對支架結構優(yōu)化改進，經多次仿真分析，采用新型結構的擋泥板支架總成。

2.1 優(yōu)化擋泥板支架的模態(tài)頻率仿真分析

通過對擋泥板支架的結構進行優(yōu)化，對優(yōu)化后的擋泥板支架總成進行模態(tài)頻率仿真，第五階段模態(tài)仿真結果如圖3所示。仿真結果表明：優(yōu)化之后的擋泥板支架前五階振動頻率比之前均有提高，振動模態(tài)明顯優(yōu)于之前狀態(tài)，優(yōu)化之后的擋泥板支架前六階振型和頻率如圖3所示。

圖3 優(yōu)化之后的擋泥板支架前六階振動頻率和模態(tài)分布

對優(yōu)化后的擋泥板支架總成模態(tài)頻率仿真分析發(fā)現(xiàn)，前六階振動頻率不存在30 Hz附近的振動頻率，可以避開發(fā)動機的怠速頻率。為驗證該結構的合理性，將試制樣件裝車后測試關鍵點的振動加速度進行前后對比。

2.2 擋泥板支架總成優(yōu)化前后的振動加速度比較

對優(yōu)化后的擋泥板支架總成按裝車狀態(tài)測試其三向振動加速度，計算其加速度均方根值，同時結合主觀評價進行評估優(yōu)化方案的合理性。

計算結果表明：優(yōu)化之后的前、中、后擋泥板支架三向振動加速值比原來分別提高了8.2%、5%和9.5%。優(yōu)化之后的擋泥板支架主觀評價明顯優(yōu)于優(yōu)化之前的方案，證明了該方案的有效性。

3 結論

通過對擋泥板支架的結構優(yōu)化，綜合仿真分析、試驗測試和主觀評價發(fā)現(xiàn)，擋泥板支架的前六階振動頻率和模態(tài)振型可以避開發(fā)動機的怠速頻率，解決了該車型擋泥板支架在發(fā)動機怠速下的抖動問題，提升了整車的NVH性能。