基于CAE模態(tài)分析運用降低整車噪聲

顧海南，李盈盈，李立波，楊東升

引言

隨著收入水平的提高，消費者對汽車產(chǎn)品的舒適性需求越來越高，從而導(dǎo)致了在整車開發(fā)中對影響舒適性指標的振動噪聲提出了更高的設(shè)計要求。動力總成懸置系統(tǒng)對發(fā)動機激勵的隔震效果是汽車NVH性能的重要影響因素[1]。動力總成是汽車的主要噪聲和振動源，一旦懸置系統(tǒng)的激勵區(qū)域與動力總成相重合，將直接影響到整車 NVH指標，進而給消費者的駕乘感受帶來惡劣的影響。

1、動剛度和模態(tài)的簡介

1.1 定義

動剛度：是在動載荷作用下抵抗變形的能力，動剛度不足將對車身疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響；

模態(tài)：是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有的振動特性。

1.2 固有模態(tài)的規(guī)劃及公式

汽車上各個系統(tǒng)是相互連接在一起的，相連的模態(tài)需要分開，否則他們之間會發(fā)生共振。

系統(tǒng)的振動微分方程：

進行固有特性分析時通常簡化為無阻尼自由振動系統(tǒng)：

進而得到：

2、懸置支架模態(tài)分析及改進

2.1 CAE建模說明

建立了一個簡化分析模型，該模型將懸置系統(tǒng)總成及發(fā)動機總成進行裝配，后懸置支架與變速箱剛性連接，進行全約束。不考慮車架及其他分總成的耦合效果。如圖1所示：

2.2 實驗過程說明

2.2.1 邊界條件

后懸置支架安裝為實車狀態(tài)，如圖2所示：

2.2.2 傳感器安裝

三向加速度振動傳感器安裝于后懸置主動側(cè)V型支架中部，Z向為V型支架法向垂直方向。如圖3所示：

2.2.3 力錘敲擊

使用力錘分別敲擊支架（傳感器安裝位置）X向與Z向。如圖4、圖5所示：

3、某開發(fā)車型實驗現(xiàn)狀

試制車輛在勻速 6檔 80km/h工況下，發(fā)動機對應(yīng)的 4階次激勵為152.6 Hz，通過6檔80km/h駕駛員右耳噪聲圖表顯示，在該頻率下存在共振點。具體見圖6：

后懸置主動側(cè)支架動剛度測試結(jié)果如圖7所示：支架 Z向首階模態(tài)為152Hz，峰值處動剛度只有 100N/mm。

即初步確認在該發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，應(yīng)為后懸置支架Z向模態(tài)與發(fā)動機激勵相吻合，造成共振，駕駛室內(nèi)噪聲值大。

3.1 后懸置支架改進方案

根據(jù)2.2中公式推導(dǎo)，后懸置支架想要提升模態(tài)，需要從加強剛度或減重方向重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

方案一：在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上，在支架中間部位，加焊一塊加強板；（見圖8）。

方案二：在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上，在支架中間部位，加焊兩塊加強板并在支架兩側(cè)開了四個腰型孔進行減重；（見圖9）。

方案三：在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上，根據(jù)整車空間布置余量，在支架的Z向厚度上，加厚10mm，且在支架中部不再開凹槽，支架一體化連接；（見圖10）。

CAE分析比對動剛度結(jié)果：

表1

通過CAE分析比對，三個方案相比原方案，在Z向剛度上均有明顯提升，但方案一與方案二相近，故對方案一和方案三兩個方案進行實車驗證。

3.2 后懸置支架方案改進的驗證結(jié)果

3.2.1 方案模態(tài)驗證結(jié)果

方案一：Z向首階模態(tài)提升至179 Hz，見圖11。

方案三：Z向首階模態(tài)提升至204 Hz，見圖12。

通過模態(tài)實驗驗證結(jié)果，Z向模態(tài)提升的服務(wù)雖與CAE動剛度分析的提升的比值存在差異，但趨勢一致，CAE分析有借鑒價值。

3.2.2 改進方案對整車效果的影響驗證

第一輪整改測試數(shù)據(jù)（圖13上）在 170Hz-240Hz 頻帶存在共振，與第一輪整改樣件固有模態(tài)頻率范圍相符；第二輪整改后測試數(shù)據(jù)（圖13下）在該頻段共振顯著減弱。即懸置支架的固有模態(tài)是影響到整車噪聲的的主因，且隨著首階模態(tài)的提高，避開共振帶后，對整車 NVH起到了立竿見影的整改效果。

3、結(jié)論

通過上述實例展示可以知道，發(fā)動機周邊部件的固有頻率一旦和發(fā)動機的階次激勵一致，所產(chǎn)生的共振危害。通過設(shè)計初期的CAE動剛度分析，能定性判斷方案的可行性，對設(shè)計過程的方案選擇進行指導(dǎo)，減少資源的浪費。

[1] 廖毅,呂兆平.基于懸置支架動剛度分析的整車 NVH 性能分析及改進[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012,10.

[2] 郭榮,章桐.汽車動力總成懸置系統(tǒng)[M].同濟大學(xué)出版社,2013.

[3] 劉祖斌,劉英杰.發(fā)動機懸置設(shè)計中的動、靜剛度參數(shù)研究[J].汽車技術(shù),2008（6）.

[4] 張平,雷雨成等.轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].汽車技術(shù),2006（4）.