某汽車副車架NVH性能分析

陳雙喜 袁德文 張紅業(yè)

摘 要： 本文主要利用有限元理論對某汽車的副車架結(jié)構(gòu)進行建模，并分析副車架的自由模態(tài)等NVH性能，然后根據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保不會與各激振頻率發(fā)生共振，且副車架強度滿足要求，同時要做到重量最輕和成本最低。

關(guān)鍵詞： 汽車；副車架；NVH性能；模態(tài)

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對汽車的要求不僅僅局限于代步工具或運輸工具，對NVH整車舒適性也有了更高的要求。汽車行駛時，用戶隨時隨地都能感受到振動噪聲，其對NVH性能敏感度非常高，所以NVH性能是汽車非常重要的商品性之一，也是體現(xiàn)主機廠競爭力的核心技術(shù)之一。

1副車架的組成

汽車副車架是底盤重要的承載零件，主要支撐懸架、轉(zhuǎn)向、動力總成等系統(tǒng)，同時衰減由路面、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的振動激勵噪聲。副車架結(jié)構(gòu)復雜，如圖1所示為某汽車前副車架，是典型的蝶形副車架結(jié)構(gòu)，主要由上板、下板、擺臂安裝支架及車身安裝塔座組成。

2.NVH及有限元理論簡介

2.1 NVH概述

NVH主要包括三部分：振動、噪聲以及聲振粗糙度。不同的車型以及不同的企業(yè)對于汽車NVH性能的評價方法和評價標準存在差異，但是一般都是按照主觀評價和客觀評價兩個方面進行。客觀評價指的是利用專門的儀器以及專門的模擬方法來對汽車內(nèi)部的噪聲情況進行檢測分析，判斷車內(nèi)的NVH水平。主觀評價指的是汽車使用人員直接乘坐測試車輛，通過主觀感受進行打分評價汽車的NVH水平。

對于汽車的振動噪聲而言，要想進行噪聲傳遞需要包括完整的三部分：噪聲源、振動傳遞以及噪聲發(fā)射。汽車的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等部分均是噪聲源，車輛行駛過程中亦會產(chǎn)生風噪和胎噪。其中主要的噪聲源是發(fā)動機和傳動系統(tǒng)，最終振動噪聲會傳遞給車內(nèi)駕駛員和乘客。

2.2有限元理論

有限元理論是在數(shù)學理論以及工程理論綜合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有限元理論是借助相關(guān)技術(shù)將求解區(qū)域進行離散，最終離散為有限個按照特定方式排列的組合體，借助有限元理論能夠構(gòu)造幾何性質(zhì)復雜的模型。利用有限元理論可以利用單元內(nèi)的近似函數(shù)進行優(yōu)化表征全求解域中的其他部分函數(shù)。

3.副車架建模及NVH性能分析

3.1副車架建模

我們采用有限元分析軟件進行副車架模型的搭建，副車架結(jié)構(gòu)屬于板金沖壓件，所以采用二維殼單元進行網(wǎng)格劃分。為進行網(wǎng)格劃分，采用Hypermesh軟件中的automesh模塊進行分析，在劃分中采用混合劃分的方法進行，網(wǎng)格的單元邊長確定為5mm。在完成網(wǎng)格劃分之后，還需要檢查構(gòu)建網(wǎng)格單元的質(zhì)量，采用Tool中的checkelems命令進行操作。通過分析來確定網(wǎng)格單元中存在的問題，針對問題進行適度調(diào)整，以保證網(wǎng)格質(zhì)量滿足實際要求。

完成了對副車架各零件網(wǎng)格的劃分和連接工作后，需要對各零件賦予材料特性和單元屬性。原始副車架零件主要采用的是高強度鋼SAPH440，具體材料特性見表1。在Hypermesh軟件中賦予副車架材料為鋼材，并賦予鋼材的彈性模量以及密度和泊松比。通過PSHELL定義各個板材的厚度。為保證模型與真實樣件接近，采用RBE2模擬焊縫。

利用Hypermesh進行有限元模型建模，最終構(gòu)建的模型如圖2所示。

3.2副車架NVH性能分析

3.2.1模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性。線性系統(tǒng)的自由振動被解耦合為N個正交的單自由度振動系統(tǒng)，對應系統(tǒng)的N個模態(tài)。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。針對汽車的副車架，可以采用模態(tài)分析來得到其振動特性，同時評價其NVH性能是否達到目標要求。

對于前副車架，我們主要的分析的是單體的自由模態(tài)，模態(tài)頻率和振型如表2所示。主要的評價指標為一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和一階彎曲模態(tài)。

3.2.2激勵頻率分析

通過對副車架模態(tài)分析能夠得到其自由模態(tài)固有頻率，判斷是否能避開車身聲腔模態(tài)和發(fā)動機引起的振動頻率以及輪胎的聲腔模態(tài)，以避免共振，并以此來評價副車架的NVH性能。

一般車身的二階聲腔模態(tài)頻率在130Hz左右，輪胎的聲腔模態(tài)頻率在210Hz左右。

副車架模態(tài)頻率要求避開激振頻率10%以上，故我們定義副車架模態(tài)頻率目標為：一階扭轉(zhuǎn)150 Hz以上，一階彎曲230Hz以上。從仿真結(jié)果看，副車架模態(tài)頻率滿足NVH目標要求，不會與激勵產(chǎn)生共振。

4.副車架性能優(yōu)化

4.1優(yōu)化理論

我們不僅需要避免副車架固有頻率和發(fā)動機振動頻率、車身聲腔模態(tài)和輪胎聲腔模態(tài)共振。還需要考慮在滿足NVH性能目標和強度要求的前提下對副車架進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化以達到減重降本的目的。

我們利用OptiStruct軟件來對該汽車前副車架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，一般進行設計優(yōu)化的過程中需確定三個要素，包括優(yōu)化目標、約束條件及設計變量。在保證約束條件即模態(tài)和強度滿足要求的前提下，同時做到優(yōu)化目標即質(zhì)量最小和成本最低。根據(jù)該車型的實際情況確定三要素如下：

（1）優(yōu)化目標：質(zhì)量最小，成本最低。

（2）約束條件：自由模態(tài)頻率一階扭轉(zhuǎn)大于150Hz，一階彎曲大于230Hz；滿足強度要求。

（3）設計變量：副車架鈑金厚度，副車架截面形狀尺寸。

4.2優(yōu)化方法及性能校核

一般副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化有以下方向：

1、副車架主要截面加大，內(nèi)部適當增加加強板，可適當減小本體板厚。

2、本體尺寸、跨距適當減小，擺臂、車身安裝點懸臂長度避免過長。

3、避免截面突變，盡量保證型面平順過渡。

4、安裝點盡量布置在副車架模態(tài)振型的節(jié)點上。

如圖3所示，對副車架本體主體截面加大，增加內(nèi)加強板，板厚由2.5mm減小至2.3mm，同時減小車身安裝塔座懸臂長度，過渡型面適當優(yōu)化。最終副車架自由模態(tài)結(jié)果為：一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為160Hz，一階彎曲模態(tài)為235 Hz，。重量由16.5kg下降為15.5kg，重量減輕，同時NVH性能滿足目標要求，說明優(yōu)化效果較好。

NVH性能達到要求后，副車架本體結(jié)構(gòu)整體的框架基本可確定下來，后面根據(jù)強度分析結(jié)果，局部結(jié)構(gòu)加強即可，這樣可提高效率，避免多次修改。

我們使用Hypermesh軟件來對NVH優(yōu)化后的副車架進行強度校核，經(jīng)仿真分析各工況下副車架的最大應力值為178.4MPa。

因副車架是汽車結(jié)構(gòu)中的重要安全件，因此我們確定其安全系數(shù)為1.5。副車架材料SAPH440的屈服強度為305MPa，故最大應力在考慮安全系數(shù)的情況下仍小于材料屈服強度，滿足強度要求。

結(jié)論

利用有限元軟件對某車型的前副車架進行建模和模態(tài)分析，得出該副車架模態(tài)避開了汽車發(fā)動機激振頻率、車身聲腔模態(tài)頻率及輪胎聲腔模態(tài)頻率，NVH性能滿足要求，不會發(fā)生共振。為了進一步減重降本，還進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，重量從16.5kg減輕為15.5kg，減重效果明顯，同時NVH性能和強度均滿足要求。

參考文獻

[1]趙文杰，唐培，劉濤，姜耀全.基于模態(tài)分析的整車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化[J].上海汽車，2017（08）：13-16.

[2]馮一鳴，沈繼偉，朱茂桃.乘用車副車架NVH性能分析[J].時代汽車，2017（14）：69-72.

[3]董苗靜.麥弗遜擺臂大襯套布置方位研究[J].南方農(nóng)機，2017，48（06）：51.