儀表板管梁輕量化及轉向系統振動研究

趙新民 白海濤 常曉峰 靳永軍

(海馬汽車有限公司，鄭州 450000)

0 引言

輕量化技術是降低排放，提升汽車燃油經濟型的有效途徑。儀表板管梁(CCB)的輕量化，國內外研究及工程應用主要體現在兩個方面：一是通過使用密度小、性能優的新型材料替代鋼制管梁達到減重效果；二是通過有限元分析，在保證性能的基礎上進行結構優化，完成管梁的輕量化工作。

在新材料應用方面，2005年，Naiyi Li使用有限元計算和實驗相結合的方法，驗證了鎂鋁合金儀表板管梁可使原重12 kg的CCB減重50%[1]。2011年同濟大學高云凱等人通過模態和碰撞分析，證明擠壓成型的鎂鋁合金可以滿足相應的性能要求[2]。雖然鎂鋁等輕金屬在儀表板管梁減重方面有較大優勢，但因導致材料成本提升，加工工藝不成熟等問題而難以推廣。鋼制儀表板管梁仍是各主機廠設計、生產的主流[3]。鋼制管梁的輕量化研究主要通過計算各構件的模態因子(質量—模態因子，厚度—模態因子，結構—模態因子)，定量比較需優化的具體目標[4]。2014年，宣海軍等人以儀表板管梁的一階模態為約束，通過靈敏度分析，對各支架板厚進行優化設計，使管梁模態達標的情況下實現了輕量化的目的[5]。

本文利用有限元軟件，通過靈敏度分析對儀表板管梁關鍵鈑金件的靈敏度予以識別，對儀表板管梁主管的管徑和壁厚并進行匹配分析，對儀表板管梁進行減重，輕量化效果顯著。同時，經過模態分析，振動傳遞函數分析和試驗測試，驗證了分析方法的可行性。

1 儀表板管梁結構及性能指標

1.1 儀表板管梁結構

圖1為某乘用車儀表板管梁骨架示意圖。該管梁通過9個固定點與車身相連，通過4個固定點與轉向管柱相連。方向盤作為該系統的重要部件，其一階垂/橫擺模態及對應的振動加速度是考核儀表板管梁NVH性能的重要因素。

圖1 某乘用車儀表板管梁示意圖

1.2 離散方式和邊界條件

使用Hypermesh軟件進行離散，其中板件采用Shell單元，單元基準長度為8 mm；鑄件采用Solid單元，單元基準長度為2 mm；焊點采用Acm單元模擬，螺栓采用Rbe2單元模擬；單元總數為1,827,100個，節點總數為1,353,079個，質量367.1 kg；計算的邊界條件如下：

表1 計算的邊界條件

1.3 性能指標

使用Nastran軟件，對管梁+管柱+BIP進行分析計算，得到初始狀態下方向盤一階垂擺模態頻率(40.05 Hz)和一階橫擺模態頻率(43.37 Hz)對應的模態振型如下圖所示：

2 儀表板管梁優化分析

2.1 模態靈敏度分析

為確定輕量化方向，首先需對管梁及管梁和車身連接件進行模態靈敏度分析，對關鍵零部件進行識別。經過模態靈敏度分析，可以將鈑金件分為高靈敏度板件，低靈敏度板件和負靈敏度板件。通過提升高靈敏度板件剛度，降低負/低靈敏度板件剛度，達到轉向系統性能不變的同時實現輕量化的目的。

因當前使用的管梁主管為單一厚度、直徑的通管，為分析管梁局部結構對轉向系統模態的影響，現將管梁主管均分為等長的7段進行分析。經過識別，21組影響轉向系統性能的鈑金件如圖3所示。

圖2 轉向系統的一階垂擺(上)和一階橫擺(下)模態振型

圖3 靈敏度分析的鈑金件分組

以初始摸底計算的一階垂/橫擺模態頻率為目標值，分別進行靈敏度分析，可以得到21組鈑金件的模態靈敏度和質量靈敏度。分析和匯總結果如圖4所示。

圖4 靈敏度及具體分割位置分析

其中，靈敏度比=模態靈敏度/質量靈敏度，表示每增加1 kg質量對轉向系統模態頻率的影響。

模態靈敏度分析結果可以看出，管梁主管的1段～4段及中通道連接支架13號～14號板是一階垂/橫擺的改善方向；8號～12號板和20號板一階垂擺的改善方向；前圍連接支架17號板是一階橫擺的改善方向，這些鈑金件是性能提升的方向。

管梁主管的5段～8段對轉向系統的一階垂/橫擺的模態頻率影響較小，是輕量化的方向。

初步考慮對管梁主管進行分割，以減弱主管右側剛度。為得到更準確的主管分割位置，主管4號段對方向盤模態的影響應做進一步分析。將4號鈑金再均分為8段，間隔25 mm，計算各工況下方向盤的模態。如圖4所示，可以確定管梁分割位置為4號鈑金的2號點位置，即最優位置(距離管梁左端640 mm)。因此，對主管在2號點位置進行分割，采用左強右弱的方案。

2.2 主管管徑及壁厚分析

為了分析2號點右側主管對轉向系統性能的影響，對該部分管道進行變管徑和變厚度分析，分析結果如圖5所示。其中，原狀態下儀表板管梁主管的基本參數為：中徑52 mm，壁厚2 mm。

圖5 管徑和壁厚對模態頻率的分析

由隨管梁壁厚增加，轉向系統的主要模態呈線性提升，至1.9 mm之后，一階橫擺逐漸趨于平緩。隨管徑增加，轉向系統的主要模態均線性提升。說明，大管徑管梁有助于模態提升。

2.3 優化方案及結果

為保證轉向系統性能，對管徑和壁厚進行綜合匹配分析，尋求最優解。同時綜合工程應用和成本考慮，管梁主管方案如表2所示。

表2 優化方案

結合優化方案，表3給出了減重前后方向盤的一階垂/橫擺模態頻率的對比情況。結果表明，優化后的方向盤性能和原狀態保持一致。初步說明了優化方法的可行性。

表3 仿真分析結果對比

3 結果驗證及討論

3.1 測試試驗

為驗證有限元方法的工程化效果，根據優化方案制作儀表板管梁樣件并進行模態測試。下圖為原狀態管梁和優化狀態管梁的對比情況。

試驗采用與仿真分析相同的約束方法，測試結果如表4所示：

表4 測試結果對比

測試結果表明，優化方案方向盤垂擺模態上升0.95 Hz，橫擺模態下降0.45 Hz，測試和仿真分析結果較為接近，且誤差在合理范圍內，從而驗證了仿真計算的準確性和優化方案的合理性。

3.2 VTF分析

模態計算和測試結果表明管梁在優化前后模態頻率變化不大，為了進一步分析管梁結構的改變可能會對傳遞路徑造成的影響，需驗證各接附點到方向盤的振動傳遞函數(VTF)。分別在30個接附點施加1 N的掃頻激勵，輸出接附點到方向盤的振動傳遞函數，響應大小以加速度表示。圖7是以左懸置為例對比優化前后方向盤的振動量大小。

圖6 原狀態與優化狀態管梁對比

對比結果表明，優化前后方向盤峰值頻率下的傳遞函數重合，表明管梁優化之后的傳遞函數并未發生變化，方向盤的加速度在目標范圍內。其他29個接附點表現出同樣的結果。該結論驗證了輕量化方法的可行性和準確性。

4 結論

本文根據儀表板管梁的結構特征和轉向系統的振動性能要求，基于靈敏度分析，對儀表板管梁關鍵鈑金件的靈敏度予以識別，通過優化管梁主管的管徑和壁厚并進行匹配研究，對儀表板管梁進行減重，輕量化效果顯著(質量減輕6.7%)。同時，經過模態分析，振動傳遞函數分析和試驗測試，確定了分析方法的可行性，具有較強的工程實用性，其優化思路也可為其他系統的輕量化和性能提升工作提供參考。