提升車身動剛度解決車內轟鳴現象的研究

宋志輝，郭錦鵬，湯湧

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

當今汽車行業快速發展，自主品牌汽車經過十幾年的發展，已從一開始的完全模仿，經過不斷的總結經驗和學習，目前整體技術水平已經有了顯著的提高，與此同時，汽車用戶對汽車的各個方面要求也在不斷提高。車內噪聲是在用戶體驗中，較為被關注的一項體驗。也是用戶對車輛品質評價高低的最直接的一項性能，而在車內的噪聲[3]中，發動機轟鳴噪聲是最被關注的，也是一直以來都被當做問題來解決的一項噪聲。它嚴重影響駕乘體驗，破壞駕駛者和乘客心情，并且發動機的震動激勵特質固定，想在發動機本體上來解決問題，路途漫長而久遠；若以在發動機艙增加隔音材料方式解決，整車成本勢必將大幅度增加，且無法做到全部艙壁包裹增加，總有因細小之處缺失而成為短板，且舉措無奈，收效與投入相比較低，因此，快速、高效的解決問題就落在了優化車身結構，提升車身動剛度[4]之上。本文通過以上思路，在某SUV 上開展優化，通過CAE 仿真計算分析，NVH 試驗排查，找出關鍵點結構，制定高效方案，改制車路試驗證，最終以最高效的方案解決了車內發動機轟鳴問題。

1 問題現象描述

某新研發的SUV 樣車，NVH 工程師在做NVH 性能測試時發現，車輛駕駛室有明顯的轟鳴現象[5]，經過總結最終確定車輛在加速到2550rpm(85Hz)和3600rpm(120Hz)時，即產生較為明顯的轟鳴，測試圖譜中同時會出現較為明顯的波峰，如圖1 所示。

圖1 NVH 測試圖譜

而且，通過CAE 對車身發動機懸置安裝點的動剛度仿真分析輸出的圖譜結果來看：分別在85Hz 和120Hz，兩個位置的車身發動機懸置安裝點Z 向動剛度出現波谷，可與整車轟鳴現象相對應，如圖2 所示。

圖2 CAE 仿真圖譜

通過以上結果，捋清了一個解決問題的思路，如圖3 所示。

圖3 思路圖

2 解決過程

2.1 原因分析

在分析前述CAE 輸出的車身發動機懸置安裝的Z 動剛度曲線來看，認為是車身機艙的某個位置的結構強度較弱，因此才在85Hz 和120Hz 的兩個點上拉低了曲線，產生了兩個波谷。為驗證此種猜想，采用CAE 仿真手段輸出了85Hz應力分布和動畫，如圖4。

圖4 應力分布圖

通過分析應力分布和動畫，可發現，在防撞梁與車身安裝端部，和整體前端框架位置存在較為明顯的應力集中，且在輸出動畫中，晃動量較大。

2.2 制作提升方案并CAE 分析

以CAE 仿真手段輸出的應力分布和動畫作為指導，制作出多種優化方案，同時進行仿真對比分析，如圖5。

圖5 優化方案將以上方案單獨、共同以及排列組合進行CAE 仿真分析，典型結果曲線如圖6。

圖6 2 優化方案CAE 曲線

通過以上方案的CAE 仿真分析結果，總結認為，共有“前端框架塑料改鋼”和“縱梁端接頭優化+防撞梁連接端優化”，兩方案從仿真結果上來看均能提升85Hz 和120Hz 兩點的動剛度，使原來兩點曲線的波谷消失。

2.3 改制樣車驗證

根據CAE 仿真分析優化的設計方案，制作樣件和改制樣，如圖7。

圖7 改制零件示意

兩種優化方案改制的樣車，經過NVH 工程師進行的測試，從主觀表現和試驗測試數據，均表明問題得到明顯改善，與CAE 仿真分析結果相符合，NVH 測試圖譜如圖8。

圖8 NVH 測試圖譜

2.4 方案選擇

根據CAE 仿真分析和改制樣車的試車測試驗證，解決這款車的駕駛室內發動機轟鳴問題，可有兩個方案供選擇，即“前端框架塑料改鋼”和“縱梁端接頭優化+防撞梁連接端優化”。結合本車型現開發狀態，散熱器結構開發完成、縱梁結構固化、塑料前端框架已開發完成等，由于當前的諸多限制因素，新的“鋼質的前端框架”需有五十多個單個鈑金件構成，開發成本和單車成本均遠高于原“塑料的前端框架”，且增重8.6kg。而“縱梁端接頭優化+防撞梁連接端優化”方案，其中“縱梁端接頭優化”由于原零件為自焊接沖壓件，優化結構形式后，取消自焊接，單件成本略有下降，僅“防撞梁連接端優化”成本有略微增加；綜合分析，最終選擇采用“縱梁端接頭優化+防撞梁連接端優化”方案實車實施。

3 總結分析

前文已經闡述，產生駕駛室內發動機轟鳴原因之一，可能是某一點的動剛度不足，而結構強度連接是否具有完整性，和承載大質量的位置點，都是我們要考察的關鍵。之后我們總結分析了某SUV 前艙結構連接狀態，如圖9。

圖9 某SUV 前艙結構連接解析

通過“某SUV 前艙結構連接解析”圖我們發現，這款SUV 前艙有三種材質的結構件，即鋼質車身、塑料前端框架和路合金材質防撞梁，而材料屬性中一個主要特性為“彈性模量[6]”，我們通過“彈性模量”定義即，是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，和“動剛度”定義即，動載荷下抵抗變形的能力，了解到動剛度和材質屬性具有一定關系。因此，總結認為：多種材料共同應用時，應著重關注結構連接連續性與材質的特性。這款SUV 所采用的三種材料的彈性模量分布，如圖10。

圖10 材料屬性圖

綜上所分析，發艙最前端特點是，載有大質量（散熱器），承力力矩最長（支點視為前輪著底面），要求剛度應很大。而彈性模量小的材質對動剛度提升貢獻很小，甚至小于因重量增加造成的動剛度損失。

4 結束語

通過此次成功提升車身動剛度并最終解決車輛駕駛室發動機轟鳴問題的過程，為我們以后在新車型開發設計過程中提供了設計經驗，同時為后續類似問題的解決提供了參考思路。