某重型牽引車擋泥板怠速抖動改善

摘" 要：針對某重型牽引車怠速擋泥板抖動問題，首先進行怠速振動測試和模態試驗識別振動原因，然后通過有限元的模態和頻響分析對結構振動問題進行解析，為拓撲優化提供改善方向。經過實車驗證，優化方案效果明顯。同時提出RSS值評價法，讓主觀評價維度更加全面，更好反應主客觀關聯性。

關鍵詞：擋泥板；怠速抖動；RSS

中圖分類號：U467" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0075-06

Improvement on Idle Vibration of Heavy-duty Commerical Vehicle Fender

XIA Yu-fang， YANG Shao-gang， CAO Yuan， LIU Zong-sheng， DONG Li-ming

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： Aiming at the vibration problem of the fender of a heavy tractor at idle speed， the causes of vibration are identified by idle vibration test and modal test， and then the structural vibration problem is analyzed by finite element modal and frequency response analysis， which provides an improvement direction for the topology optimization of the fender structure. After real vehicle verification， the optimization scheme has obvious effect. At the same time， the RSS value analysis method of objective data is proposed， which enhances the consistency of subjective and objective evaluation.

Key Words： Idle Vibration; Fender; RSS

引" " 言

隨著商用車市場競爭日趨激烈，用戶對車輛的舒適性要求越來越高。怠速振動特性投入大量人力物力，以駕駛室室內振動為主的特性目標項，還包括了底盤附件和車身外掛附件，振動性能提升明顯。某重型牽引車在開發過程，出現怠速550rpm前輪右側擋泥板目視可見抖動，舒適性主觀評價不能接受，影響產品性能。通過試驗和仿真相結合的方式，改善了擋泥板抖動問題，提升產品質量，為客戶提供可靠的產品。

1" " 擋泥板怠速抖動原因分析

為了客觀評價該擋泥板抖動情況，針對怠速工況下對擋泥板進行了振動加速度怠速振動測試，傳感器傳感器按整車坐標系布置在擋泥板本體上端、擋泥板本體下端、擋泥板支架端部和車架連接處，如圖1所示。試驗測得擋泥板的振動頻譜數據如圖2所示，怠速工況下影響擋泥板抖動的主要頻率為28Hz左右。

由表1中的數據可以看出，該車型怠速工況下擋泥板本體X向和Y向的加速度值均較大，遠遠超過擋泥板支架和車架連接點處振動水平，超過1g。

為找出怠速工況下擋泥板振動的原因，使用錘擊法對擋泥板進行了模態測試。試驗測得的擋泥板存在模態頻率為26.2Hz整體X向一階彎曲振型和28.9Hz擋泥板右下端角X向一階彎曲振型，振型分別如圖3和圖4所示。擋泥板的這兩階模態頻率與怠速振動測試的主頻27.5接近。

此牽引車型為四沖程直列六缸發動機，主要激勵來自于發動機三階點火激勵。發動機怠速工況下1階振動頻率計算公式如下：

（1）

其中：f為發動機點火激勵頻率，n為發動機轉速，c為發動機缸數，d為沖程數。

3階激振頻率為3×f1，由于怠速轉速為550RPM，故發動機激勵頻率為27.5Hz。該車型怠速時擋泥板抖動主要是由于擋泥板固有頻率（26.2 Hz、28.9Hz）和發動機3階激勵頻率（27.5Hz）耦合，發生了共振。

2" " 仿真模型建立與對標

2.1" "擋泥板總成有限元模型建立

建立擋泥板總成在整車下的有限元模型，模型包括擋泥板本體、擋泥板本體、擋泥板支架和車架模型，如圖5。模型的主要材料參數如表2所示：

2.2" "模態分析及對標

擋泥板總成安裝在光車架上進行整車狀態下的模態分析，如圖6。車架板簧全約束，計算提取0-40Hz內的約束模態。

擋泥板模態仿真和試驗對比結果，如表3。試驗和仿真的各階模態頻率和振型基本吻合，相對誤差保持在5%以內，確保了所建有限元模型的可靠性和準確性，為下一步模型優化提供支持，模態振型如圖7所示：

3" " 擋泥板結構改善

3.1" "擋泥板結構頻響分析

對擋泥板進行頻響分析，研究其動態特性。在怠速工況下車架端以Y向和Z向振動為主，因此在擋泥板安裝支架車架端連接點的Y向和Z向分別施加單位力激勵，響應點為擋泥板關注位置10個點，如圖8。由于輸入激勵為單位激勵，因此該頻率響應分析也可以叫傳遞函數分析，主要考察擋泥板在關注點的振動特性，為擋泥板優化方案提供依據。

圖8中頻響分析結果顯示原方案擋泥板響應點的曲線存在28Hz峰值，與發動機怠速27.5Hz激勵頻率有耦合風險，需要改進28Hz響應峰值。通過對該峰值點進行模態貢獻量分析，確定該頻率點的響應主要是第4階和第5階模態所決定，也就是前面模態分析中找出的兩個會引起共振的模態頻率。分析第4階和第5階模態振型，以擋泥板塑料板變形為主。分析頻響結果，發現所有響應點的X向幅值明顯大于Y向和Z向。

3.2" "擋泥板改善方案

運用拓撲優化，優化擋泥板第4階和第5階模態，使這兩階模態避開發動機怠速激勵頻率4Hz，得到最優的加強筋分布。

優化步驟：

（1）定義響應：擋泥板第5階模態；擋泥板頻響分析響應點的頻響。

（2）定義設計約束：擋泥板第5階模態下限為32Hz。

（3）定義設計目標：擋泥板頻響分析響應點的最大頻響最小化。

優化結果如上圖9所示，拓撲優化結果為設計提供了改善方向，改善方案主要包括采用擋泥板本體和防飛濺一體化結構、增加支架、加厚板厚和加強筋等，如圖10所示：

3.3" "改善方案仿真分析

對改善方案的設計模型進行模態和頻響分析。模態分析結果表明改善方案滿足避開怠速發動機激勵頻率4Hz目標要求，如表4所示。

頻響分析對比結果，改善方案在28Hz響應峰值基本消除，如圖11所示：

4" " 試驗驗證

4.1" "主觀評價

對右前擋泥板改善前后的怠速振動進行了主觀對比試驗。3名試驗員通過觀察、觸摸考察擋泥板總成改善前后振動水平完成主觀打分。改善方案振感小，主觀評價6.5分，較原方案5.5分改善明顯，有效的解決了擋泥板怠速抖動問題，如表5。

4.2" "客觀測試

對擋泥板本體上端、擋泥板本體下端、擋泥板支架和車架端進行怠速振動測試，獲得測點的3向振動加速度RMS值，但同一個測點在不同方向的改善效果不同，如圖13所示：

為了讓主觀評價維度更加全面，更好反應主客觀關聯性，采用RSS值評價。RSS是將測點不同方向的振動值進行均方根，得到一個振動綜合值，通過該值來評價總體振動水平。

使用RSS值評價法，擋泥板下端原方案為14.58m/s2，改善方案降低至9.8m/s2，與主觀評價結果一致，如圖14所示。擋泥板上端和下端振動加速度RSS值小于10m/s2，主觀評價的目視可見抖動問題不易出現。

5" " 結論

1.通過模態和頻響測試能夠快速識別振動問題產生的原因，結合有限元的頻響和模態貢獻量分析方法，可以給設計提供有效的解決方案。

2.該案例采用RSS值評價，避免了客觀測試在同一個測點的改善效果無法評價問題，讓主觀評價維度更加全面，更好反應主客觀關聯性。

3.通過實車主觀驗證及客觀測試，擋泥板優化方案主觀評價6.5分，客觀測試評價點的振動幅值降低35%，主客觀都滿足振動改善要求。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用 [M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]時陪成. 汽車動力總成懸置系統隔振分析與優化研究[J].吉林大學博士學位論文.2010.

[3]王勖成.有限單元法[M].清華大學出版社.2003.

[4]石常路，蔣圖，柯旭貴.基于數值模擬的擋泥板成形工藝與模具設計[J]， 模具工業，2017，43（12）：18-24.

[5]易輝強，何代澄，高小慧等. 中重卡后塑料擋泥板頻率響應分析及基于模態的形貌優化[C]//《西南汽車信息》編輯部.西南汽車信息（2018年第8期 總第389期）.《西南汽車信息》編輯部，2018：22-28.

專家推薦語

吳道俊

合肥工業大學" 博士

廈門金龍客車" 高級工程師

本文針對某重型牽引車怠速擋泥板抖動問題，進行了怠速工況的振動和模態試驗，研究振動原因，基于有限元建模與分析，對標試驗結果，確定模型有效性，并完成拓撲優化和結構改進設計，通過主客觀試驗和評價，確定了改進方案的有效性。相關的研究方法和過程對擋泥板等結構的振動問題的解決，具有較好的工程指導意義。