基于有限元法的懸架系統振動傳遞函數研究

徐寅生，岳濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

懸架是車身與車橋間一切傳力連接的裝置，彈性地連接車體和車輪，緩和并衰減由于路面不平度傳遞至車輛的振動[1]，合理的懸架振動傳遞特性設計，達成較好的隔振性能，可以避免車輪的振動過大的通過懸架，傳遞至車身，減小車身結構振動，降低車內噪聲，提升懸架NVH特性。

1 基本理論

1.1 有限元法

有限元法是用有限個單元將結構彈性體或空氣離散化，根據力學或聲學方程，得到聯立代數方程并求解，得到結構振動特性或聲學特性，適用于低頻振動模擬和分析。對系統進行有限元分析，預測振動傳遞特性，通過分析結果對設計方案進行優化，提高設計水平。

1.2 傳遞路徑分析法

傳遞路徑分析法就是復雜系統受到多種振動噪聲源激勵，每種激勵都可能通過不同的路徑，傳遞到響應點。[2][3]

假設某系統受到m個激勵力作用，每個激勵有x,y,z三個方向分量（用k=1,2,3表示），每個激勵分量都對應著n個特定的傳遞路徑，那么這個激勵分量和對應的傳遞路徑就產生一個系統響應分量，整個振動響應可以表示為：

Hmnk表示傳遞函數，Fnk表示激勵頻譜。

1.3 模態貢獻量及響應分析

1.3.1 模態貢獻量

模態貢獻量是某階模態的響應在總響應中的比重，模態分解后得到模態貢獻量。通過貢獻量分析，優化更有方向性，修改某一階模態而改進總響應。

1.3.2 響應分析

響應分析是以傳遞函數曲線為響應目標，基于模態貢獻量分析，預測曲線優化前后的變化趨勢，快速得到優化方向。

2 懸架系統測試與仿真

2.1 懸架系統實驗測試

測試采用力錘敲擊，采集測點響應，完成數據處理及擬合的方法對其進行測量。主要測試部件包括前下擺臂、前副車架、后扭力梁，示意圖如圖1所示。

圖1 懸架系統零部件模態測試示意圖

識別前后懸架振動傳遞的主要路徑及激勵方向，布置傳感器進行傳遞函數測試，如圖2所示。

圖2 傳遞函數測試點示意圖

測試結果用于和仿真分析結果對比，驗證有限元模型精度。

2.2 懸架系統仿真分析

建立懸架系統有限元模型，如圖3。

圖3 懸架系統有限元模型示意圖

設置模態分析工況，計算并提取相應結果。傳遞函數分析邊界條件及考察指標與測試保持統一，分析模型如圖4所示。

圖4 振動傳遞函數分析示意圖

3 驗證分析

對比懸架系統零部件模態仿真分析結果與實驗測試結果，以及傳遞函數分析與測試結果，驗證有限元模型精度，為后期傳遞函數分析研究奠定基礎。

3.1 零部件精度驗證

將實驗測試結果與仿真結果進行對比，誤差低于 5%，精度滿足要求，如表1所示。

表1 零部件模態精度驗證

3.2 傳遞函數驗證

傳遞函數峰值對應的頻率、曲線變化趨勢基本一致，精度滿足要求，如圖5、6所示。

圖5 前懸架傳遞函數驗證

圖6 后懸架傳遞函數驗證

備注：紅色曲線為實驗測試結果曲線，黑色曲線為仿真分析結果曲線

綜合模態、傳遞函數驗證結果，懸架系統有限元模型可用于進一步研究。

4 傳遞函數研究

對傳遞函數曲線某個峰值頻率進行模態貢獻量分析，精準找出對該處峰值影響較大的模態頻率，并進行響應分析，計算該頻率對峰值及整個頻道段內傳遞函數的影響[4]。

4.1 模態貢獻量分析

以前懸架輪心至前減震器車身安裝點振動傳遞曲線為例，對 43Hz處峰值進行模態貢獻量分析，得到傳遞函數該峰值貢獻量較大的前5階模態，如圖7所示：

圖7 模態貢獻量分析結果示意圖

在五個主要貢獻的模態頻率中，第41階模態（43.82Hz）和第31階模態（14.81Hz）貢獻量相對較大，分別為+39.36%和+31.87%。

4.2 響應分析

計算第41階模態在整個頻率段對傳遞函數的影響，所得優化前后傳遞函數對比如下圖8所示；該階模態對43Hz峰值削減明顯，若對其他關注頻率點有反作用，則該優化不可取。

圖8 傳遞函數優化前后對比

備注：藍色實線為優化前傳遞函數曲線，紅色虛線為優化后傳遞函數，綠色實線為優化百分比。

據上分析結果，第41階模態對43Hz處響應削弱明顯，在整個考察頻率范圍內，對傳遞函數有不同程度的優化效果。結合對應的模態振型，對其進行結構優化。從而對傳遞函數在 43Hz處的峰值進行較大幅度的優化，并且在其他頻率點也有不同程度的優化。

另一方面，多條傳遞路徑進行模態貢獻量以及響應分析時，在權衡各條路徑中模態貢獻量的同時，響應分析也要關注多個響應點的變化趨勢，如此更有利于我們找到響應優化的最佳方向。

5 總結

結合懸架系統模態實驗及傳遞函數測試，對有限元模型調校及分析，使模型達到精度要求。在精度提升過程中，識別影響懸架系統傳遞特性的主要因素，并基于有限元分析所得的懸架系統振動傳遞函數，對曲線峰值頻率進行模態貢獻量分析，找出影響該峰值的主要模態頻率，進行響應分析，快速找到優化前后結果對比及傳遞函數變化趨勢，明確優化方向，提高懸架系統隔振性能。