一種發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)定義方法

陳海潮，周兆耀，謝雅平，程俊東

吉利汽車研究院，浙江寧波 315336

0 引言

發(fā)動機(jī)罩是車身上重要的組成部分,它與翼子板、保險(xiǎn)杠、進(jìn)氣格柵等共同形成車身的前端特征。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)罩的外觀直接影響到車輛的美觀，所以其外部造型往往在整車項(xiàng)目研發(fā)的造型階段就已經(jīng)確定，但是作為車身上單體結(jié)構(gòu)較大的薄板件，同時也作為被動安全中行人保護(hù)重點(diǎn)考核的區(qū)域，這就要求發(fā)動機(jī)罩要具有合適的剛度性能，包括靜剛度、動剛度和被動安全性能等。這些性能除了取決于鉸鏈外，影響最大的是內(nèi)外板材質(zhì)、內(nèi)外板料厚、內(nèi)板結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)膠和焊點(diǎn)分布等，而這些參數(shù)都可以通過CAE分析中的拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化等方法優(yōu)化獲得，但所有優(yōu)化計(jì)算的前提是必須有合理的目標(biāo)值。

如何為不同車型定義合理的發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)目標(biāo)值，是汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的痛點(diǎn)。目前的一些研究雖提出了優(yōu)化方法，但未明確如何定義發(fā)動機(jī)罩的剛度參數(shù);文獻(xiàn)[3]提出了基于數(shù)據(jù)庫研究白車身關(guān)鍵剛度參數(shù)的方法,也未對發(fā)動機(jī)罩的剛度參數(shù)進(jìn)行定義。為此，本文基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過研究數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，探尋發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)的分布特征，從而確定了一種基于發(fā)動機(jī)罩特征尺寸設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)的方法。

1 發(fā)動機(jī)罩剛度數(shù)據(jù)庫

1.1 發(fā)動機(jī)罩剛度試驗(yàn)方法介紹

發(fā)動機(jī)罩剛度試驗(yàn)的測試方法有多種，常用的方法有3種，方法一稱作中間約束扭轉(zhuǎn)剛度，發(fā)動機(jī)罩鉸鏈全約束、鎖扣處約束向自由度，在發(fā)動機(jī)罩右邊角沿-向施加載荷，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)罩中間約束扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)示意

方法二稱作側(cè)向剛度，對發(fā)動機(jī)罩的車身側(cè)鉸鏈全約束，并約束發(fā)動機(jī)罩鎖扣處向自由度，同時在鎖扣處沿車身-向施加載荷，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)罩側(cè)向剛度試驗(yàn)示意

方法三稱作角部約束扭轉(zhuǎn)剛度，鉸鏈全約束，在發(fā)動機(jī)罩一側(cè)支撐塊接觸點(diǎn)處約束向自由度，測量發(fā)動機(jī)罩另一側(cè)支撐塊處在重力作用下的扭轉(zhuǎn)變形，如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)罩角部約束扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)示意

方法二試驗(yàn)時包含鉸鏈，而不同形式的鉸鏈，其自身剛度差異較大，導(dǎo)致對發(fā)動機(jī)罩的剛度評價影響較大，這種方法測得的剛度難以表征發(fā)動機(jī)罩本體的剛度；方法三主要考察發(fā)動機(jī)罩在重力作用下的變形，尺寸較大的發(fā)動機(jī)罩測得的剛度往往偏小，該方法測量的剛度也不能較好地表征發(fā)動機(jī)罩本體的剛度;方法一在豎直方向加載，減少了鉸鏈剛度的影響，同時引入發(fā)動機(jī)罩寬度尺寸的影響因素，測得的剛度能全面地反映發(fā)動機(jī)罩系統(tǒng)的剛度。因此選用方法一測量的剛度表征發(fā)動機(jī)罩的靜剛度。

1.2 發(fā)動機(jī)罩模態(tài)試驗(yàn)

發(fā)動機(jī)罩模態(tài)參數(shù)是表征發(fā)動機(jī)罩的動態(tài)性能的重要參數(shù)之一，發(fā)動機(jī)罩自由模態(tài)試驗(yàn)示意如圖4所示。試驗(yàn)前需要確定測點(diǎn)與激勵點(diǎn)，并在測點(diǎn)上布置加速度傳感器，通過力錘激勵點(diǎn)，各測點(diǎn)會產(chǎn)生響應(yīng)，根據(jù)各測點(diǎn)間響應(yīng)計(jì)算各測點(diǎn)間的傳遞函數(shù)，間接計(jì)算出發(fā)動機(jī)罩的模態(tài)參數(shù)。根據(jù)傳感器的數(shù)量和測量帶寬，測得的發(fā)動機(jī)罩模態(tài)階次較多，但其中最重要的是一階模態(tài)和一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)，而發(fā)動機(jī)罩的一階模態(tài)往往就是發(fā)動機(jī)罩一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)，因此，一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)成為表征發(fā)動機(jī)罩動態(tài)剛度的重要參數(shù)。

圖4 發(fā)動機(jī)罩自由模態(tài)試驗(yàn)示意

1.3 發(fā)動機(jī)罩剛度數(shù)據(jù)庫簡介

結(jié)合國內(nèi)90余款、國外40余款乘用車的發(fā)動機(jī)罩試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中的車型涵蓋不同級別的車，每個級別的車型不少于10款。記錄每款發(fā)動機(jī)罩的關(guān)鍵參數(shù)和剛度值，表1為發(fā)動機(jī)罩剛度數(shù)據(jù)庫中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 發(fā)動機(jī)罩剛度數(shù)據(jù)庫中的部分?jǐn)?shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)庫中各剛度參數(shù)之間的關(guān)系研究

2.1 發(fā)動機(jī)罩質(zhì)量與發(fā)動機(jī)罩特征尺寸的關(guān)系

發(fā)動機(jī)罩的特征尺寸是發(fā)動機(jī)罩最典型的參數(shù)之一，主要包括：發(fā)動機(jī)罩鉸鏈間距、發(fā)動機(jī)罩前部支撐塊間距、發(fā)動機(jī)罩的寬度和發(fā)動機(jī)罩的高度，這些參數(shù)基本表征了發(fā)動機(jī)罩的主要特征尺寸，如圖5所示。

圖5 發(fā)動機(jī)罩特征尺寸示意

可根據(jù)發(fā)動機(jī)罩的特征尺寸估算發(fā)動機(jī)罩的表面積,表面積定義為發(fā)動機(jī)罩鉸鏈與前部支撐塊在水平面上投影點(diǎn)圍成的梯形面積，其計(jì)算公式為：

(1)

根據(jù)密度—體積—質(zhì)量的關(guān)系，引入發(fā)動機(jī)罩面密度，其定義為：

(2)

式中：為發(fā)動機(jī)罩的面密度，定義為發(fā)動機(jī)罩的質(zhì)量和發(fā)動機(jī)罩的表面積的比值。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，乘用車發(fā)動機(jī)罩面密度分布如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)罩面密度分布統(tǒng)計(jì)

由圖6可見，發(fā)動機(jī)罩的面密度接近恒數(shù)，誤差為±05，經(jīng)過同類車型比對發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)動機(jī)罩的面密度大于+05時，說明其輕量化程度不足;當(dāng)發(fā)動機(jī)罩面密度小于-05時，說明其剛度往往較差。根據(jù)該值，可由發(fā)動機(jī)罩的特征尺寸設(shè)計(jì)出比較合理的發(fā)動機(jī)罩質(zhì)量參數(shù)。

2.2 發(fā)動機(jī)罩寬度與一階扭轉(zhuǎn)剛度之間的關(guān)系

根據(jù)白車身輕量化系數(shù)定義方法，定義出發(fā)動機(jī)罩的輕量化系數(shù)為：

(3)

式中：為發(fā)動機(jī)罩輕量化系數(shù)，該值與發(fā)動機(jī)罩的質(zhì)量成正比，與發(fā)動機(jī)罩的表面積和扭轉(zhuǎn)剛度成反比。

將公式(2)代入公式(3)可得發(fā)動機(jī)罩的輕量化系數(shù)為：

(4)

根據(jù)公式(4)繪制發(fā)動機(jī)罩等輕量化系數(shù)曲線，如圖7所示。

圖7 發(fā)動機(jī)罩等輕量化系數(shù)曲線

由圖7可知，根據(jù)發(fā)動機(jī)罩的輕量化系數(shù)可設(shè)計(jì)出比較合理的發(fā)動機(jī)罩的扭轉(zhuǎn)剛度。

2.3 發(fā)動機(jī)罩寬度與一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率之間的關(guān)系

定義發(fā)動機(jī)罩一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率時需要兼顧多重因素，如發(fā)動機(jī)的缸數(shù)、車型級別，但基本原則不變：該值必須處于合理的范圍內(nèi)，且必須與發(fā)動機(jī)的振動頻率避開。

(1)頻率過低，容易與路面激勵形成共振，產(chǎn)生異響甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)罩開裂，同時,扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率較低的發(fā)動機(jī)罩，其靜態(tài)剛度往往也較低，在實(shí)際觸感中,容易導(dǎo)致消費(fèi)者對整車質(zhì)量產(chǎn)生誤解；

(2)頻率過高，會對質(zhì)量成本造成壓力,同時對整車輕量化和行人保護(hù)也不利；

(3)若與發(fā)動機(jī)的激勵頻率接近，則會產(chǎn)生振動、異響甚至直接破壞發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)。

但項(xiàng)目開發(fā)初期，難以將各個因素對發(fā)動機(jī)罩的影響進(jìn)行量化和平衡，因此，基于同級別車型發(fā)動機(jī)缸數(shù)和發(fā)動機(jī)罩模態(tài)參數(shù)分布特征設(shè)計(jì)在研車型的目標(biāo)值是最直接的方法。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機(jī)罩自由狀態(tài)下一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)罩寬度存在一定的關(guān)系，如圖8所示。根據(jù)該關(guān)系曲線，可以在項(xiàng)目開發(fā)的概念階段，根據(jù)發(fā)動機(jī)的缸數(shù)選取比對車型，根據(jù)比對車型的發(fā)動機(jī)罩的寬度尺寸設(shè)計(jì)出比較合理的一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。

圖8 發(fā)動機(jī)罩一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)罩寬度的關(guān)系

基于以上，可以利用發(fā)動機(jī)罩的特征尺寸，定義出發(fā)動機(jī)罩的質(zhì)量參數(shù)和模態(tài)參數(shù)，根據(jù)輕量化系數(shù)定義出發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度，其參數(shù)設(shè)定流程如圖9所示。

圖9 發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)設(shè)定流程

3 發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以在概念設(shè)計(jì)階段確定發(fā)動機(jī)罩的剛度值。以某A級車SUV為例，在概念模型上測得發(fā)動機(jī)罩鉸鏈間距、發(fā)動機(jī)罩前部支撐塊間距，根據(jù)圖4計(jì)算出發(fā)動機(jī)罩的表面積；根據(jù)發(fā)動機(jī)罩面密度值，由圖6估算出發(fā)動機(jī)罩的質(zhì)量為13.85 kg；參考同級別車輛發(fā)動機(jī)罩輕量化系數(shù)為0.4，由圖7估算出發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度為20.5 N·mm/(°)；根據(jù)發(fā)動機(jī)罩寬度，由圖8估算出發(fā)動機(jī)罩的一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)為25 Hz。據(jù)此，可定義出發(fā)動機(jī)罩剛度預(yù)設(shè)目標(biāo)值見表2。

表2 發(fā)動機(jī)罩剛度預(yù)設(shè)目標(biāo)值

在確定發(fā)動機(jī)罩預(yù)設(shè)目標(biāo)值后，通過對發(fā)動機(jī)罩外板的選材、內(nèi)板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析、發(fā)動機(jī)罩系統(tǒng)模態(tài)分析、整車級別被動安全分析等，最終確定發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)

以上優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，還需進(jìn)行局部細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)后最終定型，定型后發(fā)動機(jī)罩的CAE分析云圖如圖11和圖12所示，由圖可知，發(fā)動機(jī)罩的應(yīng)力和變形均滿足要求。

圖11 CAE扭轉(zhuǎn)剛度分析應(yīng)力云圖

圖12 CAE扭轉(zhuǎn)剛度Z向位移云圖

對經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行試制，并對其進(jìn)行臺架試驗(yàn)，如圖13至圖15所示。

圖13 發(fā)動機(jī)罩模態(tài)試驗(yàn) 圖14 發(fā)動機(jī)罩一階模態(tài)振型

圖15 發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度(中間約束)

定型車試驗(yàn)值與預(yù)設(shè)目標(biāo)值的對比結(jié)果見表3。

表3 定型車試驗(yàn)值與預(yù)設(shè)目標(biāo)值的對比結(jié)果

由表可知，通過該方法設(shè)計(jì)出的目標(biāo)值與最終定型車發(fā)動機(jī)罩剛度試驗(yàn)值吻合程度很高，最大偏差為6.8%，說明利用該方法設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)罩目標(biāo)值的精確性。通過剛度試驗(yàn)后，再將該發(fā)動機(jī)罩裝配在整車上，進(jìn)行開閉耐久試驗(yàn)及行人保護(hù)試驗(yàn)以及道路耐久性試驗(yàn)，未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題，同時其輕量化程度也滿足整車屬性的要求。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了表征發(fā)動機(jī)罩剛度的扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)和模態(tài)試驗(yàn)測量方法，并積累了大量的發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)庫中各參數(shù)關(guān)系的識別，提出發(fā)動機(jī)罩面密度，并以此為紐帶，研究了發(fā)動機(jī)罩特征尺寸與發(fā)動機(jī)罩的質(zhì)量關(guān)系；接著又探索了發(fā)動機(jī)罩特征尺寸與模態(tài)參數(shù)的關(guān)系，最終提出了基于數(shù)據(jù)庫中各參數(shù)關(guān)系曲線，由發(fā)動機(jī)罩特征尺寸設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)罩剛度參數(shù)的方法。通過在實(shí)際項(xiàng)目中的運(yùn)用，驗(yàn)證了該方法在新車型開發(fā)過程中定義發(fā)動機(jī)罩剛度目標(biāo)值的有效性。

由于此數(shù)據(jù)庫中僅對主要剛度參數(shù)與特征尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行探討，而如焊點(diǎn)分布、結(jié)構(gòu)膠分布、板材選料等對發(fā)動機(jī)罩剛度均有影響，這些并未做深入探討，有待后續(xù)研究。