某車前副車架模態分析與改進

孫風蔚，徐 昊，陳杰龍，金愛君，李宏華，趙福全

（吉利汽車研究院，浙江，杭州 311228）

汽車底盤的性能直接關系到整車的舒適性和操縱性，而舒適性和操縱性二者有時候是相互制約、相互矛盾的，副車架的設計就是為了協調汽車的舒適性和操縱性[1]。副車架是支承車橋和懸掛支架的重要承載部件，與車身和懸架系統相連，提高懸架系統的連接剛度，阻隔動力總成、路面激勵產生的振動和噪聲直接傳入車廂內，提高整車的舒適性[2-7]。在汽車行駛過程中，副車架的固有振動頻率與外界激勵接近時，會引發共振現象，導致車內產生大的振動和噪聲，影響整車的舒適性，因此副車架自身的結構設計及其與安裝件的連接強度對車輛的舒適性和行駛平順性有重要的影響[8]。通過模態性能分析，可以得出副車架結構的固有頻率和固有振型，進而分析其動態響應頻率，避免共振現象的產生[9-10]。本文通過對前副車架進行模態性能分析及問題解決，為今后副車架、車架的模態分析及相關結構件的結構設計提供參考。

1 問題描述

圖1是某車的前副車架結構示意圖。從圖中可以看出該前副車架由前軸左擺臂安裝支架總成、前軸安裝支架總成、前軸上板總成、前軸安裝支架總成（左右對稱）、前軸右擺臂安裝支架總成、前軸前下板、前軸后下板總成一共7部分組成。該車的前副車架在整車狀態模態性能測試試驗中，自由狀態下的一階彎曲模態頻率為181.5 Hz，安裝狀態下的一階彎曲模態頻率為118.6 Hz。模態性能較差，不符合整車性能要求，因而需要對前副車架的模態性能進行改善。

2 原因分析

根據上述模態性能試驗測試的結果，可以推斷出該問題可能涉及到前副車架自身的問題和與其安裝的車身結構件剛度問題，因此需要對前副車架的自由狀態、剛性約束狀態、安裝狀態分別再進行CAE分析和對比，便于確認問題的根本原因所在，進而改善該車前副車架的模態性能。

2.1 自由狀態下的模態分析

忽略橡膠襯套的影響，對前副車架的自由狀態進行CAE模擬彎曲模態分析，模擬結果如圖2所示。圖2是自由狀態下的一階彎曲模態位移圖，從圖中可以看出在變形過程中，前副車架各部分的位移情況，不同的顏色代表變形過程中不同的位移量，該圖中顯示最大位移量和最小位移量分別是2.859E+01（以紅色顯示）、1.582E-01（以藍色顯示），二者的差值為2.843E+01。此外，有限元模態分析結果顯示，前副車架在自由狀態下一階彎曲模態頻率為186.7 Hz，略高于試驗值181.5 Hz。

2.2 剛性約束狀態下的模態分析

忽略橡膠襯套的影響，對前副車架的剛性約束狀態進行一階彎曲模態分析，如圖3所示。從位移變形圖可以看出在變形過程中，前副車架的最大位移量和最小位移量分別是1.498E+01、0.000E+00，二者差值為1.498E+01，這與自由狀態下的位移差值相比，明顯減少，說明受約束限制，位移量大小減少，振動幅度降低。在剛性約束狀態下，前副車架模態分析結果顯示，其一階彎曲模態頻率為206.7 Hz，比自由狀態下的頻率值高，這可能是剛性約束狀態下位移量大小減少和振動幅度降低，導致振動頻率增加的原因。

2.3 安裝狀態下的模態分析

前副車架在安裝狀態下的分析模型是白車身和前副車架，其一階彎曲模態位移圖如圖4所示。從圖中可以看出，安裝狀態下的前副車架最大位移量和最小位移量分別是5.459E+00、6.358E-02，二者差值為5.395E+00。振動幅度相對自由狀態下，剛性約束狀態下的振動幅度均明顯減少。這可能是受前副車架與車身搭接件的連接關系限制所致。圖5是前副車架在安裝狀態下的頻率響應曲線，圖中顯示最大峰值處是122.4 Hz，略高于試驗值118.6 Hz。此外，該頻率值高于自由狀態下的186.7 Hz，而遠低于剛性約束狀態下的206.7 Hz，這與通常情況下振動幅度降低而振動頻率會增加的原則不相符。因此，這說明在安裝狀態下，前副車架與車身搭接件的安裝處剛度問題是決定前副車架振動頻率高低的主要原因。圖5中顯示的安裝狀態下前副車架模態頻率遠低于剛性約束條件下的頻率，因此這可以說明是由于車身與前副車架的安裝處剛度不足，導致安裝狀態下的前副車架振動幅度較小且頻率較低，模態性能較差，不滿足相關法規要求。

3 優化方案

針對上述模態性能存在問題的原因，本文分別采用直接和間接方法進行了4種優化設計方案的分析和對比。方案1是延長前副車架內加強板長度至120 mm，用以直接提高前副車架的抗彎性能，如圖6所示；方案2是延長前地板縱梁至90 mm，用以提高前副車架與車身連接處的剛度，如圖7中紫色件所示；方案3是改善散熱器連接框架的結構，新增加兩個厚度為2.0 mm的散熱器左右立柱加強板（圖中紅色搭接件），同時散熱器上下橫梁板厚由原先的0.8 mm更改為1.5 mm，散熱器左右立柱板厚由原先的1.0 mm更改為1.5 mm，用以提高前縱梁的剛度性能，進而提高前副車架與車身連接處的剛度，如圖8所示；方案4是將方案1、2、3組合后，進行綜合效果分析。

圖9是根據以上4種優化設計方案并參考原方案，在安裝狀態下進行前副車架模態分析的頻率響應曲線，從圖中可以看出原方案的一階彎曲模態頻率最低（122.4 Hz），改進方案后的模態頻率均有所提高，方案1提高到126 Hz，方案2提高到128 Hz，方案3和方案4提高到130 Hz，這說明方案3的優化設計結果對前副車架在安裝狀態下的模態性能影響最大，頻率提高效果最明顯。因此采用該方案的設計方法，通過改善散熱器連接框架的結構，可以很好地改善前副車架彎曲模態的性能，進而最終滿足其性能要求。

4 結論

綜上所述，針對該車存在的模態性能問題，進行原因分析及優化設計，得出4種優化方案中的第3種方案可以很好地解決前副車架在安裝狀態下的一階彎曲模態頻率低的問題，即增加散熱器上下橫梁，散熱器左右立柱厚度及增加散熱器左右立柱加強板。這說明在前副車架的模態性能問題上，通過間接改進連接搭配件的剛度也可以解決其存在的一些問題，為后續車身結構設計過程中需要注意的問題和設計方向提供了一定的參考。

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