前懸聲品質(zhì)提升方案研究

陳晶艷

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

懸架是車輛的重要組成部分，可將路面作用于車輪上的力和力矩傳遞到車身上，以保證汽車的正常行駛[1]。懸架系統(tǒng)通過(guò)將擺臂、轉(zhuǎn)向裝置、穩(wěn)定桿、驅(qū)動(dòng)裝置、差速器等多個(gè)底盤元件預(yù)裝到副車架中，形成一個(gè)模塊[2-3]。因此各桿系的連接、副車架與車身的連接直接影響整車NVH(Noise Vibration Harshness)的表現(xiàn)[4]。

隨著生活水平的提高，廣大消費(fèi)者對(duì)擁有自己的家用轎車產(chǎn)生了日益強(qiáng)烈的需求，并逐漸從代步需求轉(zhuǎn)向個(gè)性體現(xiàn)，對(duì)車輛品質(zhì)的要求也逐漸提升[5]。同時(shí)隨著自主品牌的不斷崛起，市場(chǎng)份額越占越大，所有品質(zhì)問(wèn)題均會(huì)對(duì)自主品牌形象造成非常大的影響。

某新品轎車在行駛中，以40～50 km/h的速度過(guò)凹坑時(shí)底盤前部發(fā)出類似金屬敲擊“kuang kuang”聲，極易引起客戶抱怨，讓顧客有不安全感，嚴(yán)重影響品牌競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)FTA(Fault Tree Analysis)分析法查找所有可能原因，并對(duì)所有原因及改善方案進(jìn)行逐條分析驗(yàn)證，最終得到最優(yōu)的解決方案。

1 問(wèn)題研究

1.1 問(wèn)題描述

前懸異響的工況見圖1，即車輛以50 km/h的速度制動(dòng)過(guò)100 mm深坑，底盤前部發(fā)出類似金屬敲擊“kuang kuang”聲。實(shí)驗(yàn)中選取的深坑結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖1 前懸異響的工況

圖2 深坑結(jié)構(gòu)特征圖

1.2 異響位置分析

應(yīng)用LMS聲壓系統(tǒng)，實(shí)車狀態(tài)對(duì)前懸各點(diǎn)進(jìn)行聲壓采集，采集點(diǎn)及聲壓示意圖分別如圖3、圖4所示。發(fā)現(xiàn)副車架處聲壓最強(qiáng)，異響位置鎖定于副車架。

圖3 聲壓采集的示意圖

圖4 異響聲壓示意圖

對(duì)前懸架各個(gè)零部件進(jìn)行檢查，表面無(wú)撞擊痕跡，排除撞擊異響。對(duì)副車架上(如圖5所示)各安裝點(diǎn)進(jìn)行檢查，副車架與懸置、擺臂安裝點(diǎn)均未發(fā)生滑移，但與車身安裝點(diǎn)處出現(xiàn)明顯劃痕，見圖6。

圖5 副車架焊接車身

圖6 車架表面劃痕

為證明原因的唯一性，把有明顯滑移痕跡的副車架后安裝點(diǎn)焊接在車身上，再進(jìn)行車速50 km/h、過(guò)100 mm深坑試驗(yàn)，無(wú)金屬撞擊聲，因此明確副車架后安裝點(diǎn)產(chǎn)生滑移是前懸聲學(xué)品質(zhì)差的根本原因。

2 機(jī)制分析

2.1 副車架滑移要因分析

能產(chǎn)生相對(duì)滑移的條件即為f≤F[6-7]，而：

式中：f為摩擦力；F為外載力；F0為螺栓預(yù)緊力；μ為接觸面摩擦因數(shù)；i為結(jié)合面數(shù)；N為螺栓個(gè)數(shù)；K為扭矩系數(shù)；d為螺栓公稱直徑。

針對(duì)主要原因通過(guò)如圖7所示的FTA分析找到了與后點(diǎn)滑移相關(guān)聯(lián)的8個(gè)末端因素。

圖7 FTA分析法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的條件，時(shí)速50 km/h、坑深100 mm為現(xiàn)實(shí)生活中開車常見的極限工況。比對(duì)其他車型的副車架，此車型采用的副車架結(jié)構(gòu)形式為四點(diǎn)安裝，采用M14的螺栓，擰緊力矩為160 N·m，車身與車架為凸臺(tái)連接(見圖8)，均為成熟方案。通過(guò)排除法得出可能存在的要因?yàn)橥古_(tái)Z向尺寸偏小、支架與套管間隙過(guò)大造成的預(yù)緊力不足。

通過(guò)拆解異響車輛，發(fā)現(xiàn)副車架后安裝點(diǎn)存在較明顯凹陷現(xiàn)象，見圖5。通過(guò)對(duì)副車架制造現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查分析，部分副車架后安裝點(diǎn)存在不同程度間隙，見圖9。

圖8 副車架安裝示意圖

圖9 副車架安裝示意圖

2.2 仿真論證

從圖10可以看出：副車架后安裝支架與支撐套管的間隙值將導(dǎo)致螺栓有效預(yù)緊力的損失，進(jìn)而可能無(wú)法提供足夠的摩擦力而使副車架與車身之間存在滑移的可能性。

圖10 緊固力的示意圖

通過(guò)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)狀態(tài)的副車架后安裝點(diǎn)能夠提供摩擦力8 000 N，大于過(guò)坑時(shí)后點(diǎn)外載的最大值，理論上不會(huì)導(dǎo)致副車架滑移；但當(dāng)安裝支架與支撐套管間隙大于1.2 mm時(shí)，如圖11所示，安裝點(diǎn)的摩擦力將小于外載力6 500 N，從而存在副車架滑移風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 摩擦力計(jì)算

但因安裝支架沖壓件與上、下板焊接件配合后的累積制造公差將會(huì)達(dá)到±2.5 mm，如圖12所示，且支撐套管高度只能是固定的，這必將導(dǎo)致安裝支架與支撐套管之間0～2.5 mm間隙的存在。通過(guò)如圖13所示的3DCS專業(yè)軟件進(jìn)行裝配公差分析，安裝支架與支撐套管間隙超過(guò)1.2 mm的概率在0.5%，故在現(xiàn)有制造水平的基礎(chǔ)上縮小公差已不現(xiàn)實(shí)，需要從設(shè)計(jì)方面解決此問(wèn)題。

圖12 結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 3DCS分析

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

為從設(shè)計(jì)上消除鈑金間間隙，計(jì)劃將原安裝支架取消，冷墩套管局部加厚10 mm，見圖14，但由于冷鐓套管安裝表面的摩擦因數(shù)小(0.083)，安裝面能夠提供的最大摩擦力5 000 N小于過(guò)坑時(shí)外載力的最大值，如圖15所示。

圖14 優(yōu)化方案

圖15 摩擦力計(jì)算

而提高摩擦因數(shù)最簡(jiǎn)單最直接的方法是增加滾花墊片，見圖16，摩擦因數(shù)可從0.083提高到0.35，經(jīng)計(jì)算可提供足夠的摩擦力保證副車架不滑移，但這樣組裝便利性差，容易漏裝，影響生產(chǎn)節(jié)拍。而在冷鐓套管表面上滾花，見圖17，對(duì)齒形設(shè)計(jì)要求比較高，為保證滾齒能壓入車身且深度合理，在做齒形設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮冷鐓套熱處理后齒形的強(qiáng)度，又要防止在熱處理過(guò)程中齒形的變形[8]。經(jīng)過(guò)幾輪優(yōu)化，最終選用錐形齒，示意及參數(shù)見圖18及表1。

圖16 增加滾花墊片 圖17 冷鐓套管表面上滾花

圖18 齒形圖

表1 齒形參數(shù) mm

通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，冷鐓套管滾花壓入良好，見圖19，經(jīng)整車試驗(yàn)驗(yàn)證50 km/h制動(dòng)過(guò)100 mm深坑前懸無(wú)金屬撞擊音。

圖19 冷鐓套管滾花壓入情況

4 結(jié)論

汽車前懸由于復(fù)雜的受力環(huán)境容易造成前懸異響等聲學(xué)品質(zhì)問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用FTA、仿真分析，快速研究出問(wèn)題的原因和機(jī)制，并為在研車型提供了設(shè)計(jì)規(guī)避方案，節(jié)約了成本，提高了品牌競(jìng)爭(zhēng)力。

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