基于模態提升的碳罐支架故障整改分析

摘 "要：針對道路耐久過程中碳罐支架開裂問題，先測試了碳罐支架的固有頻率和道路路譜，然后采用有限元進行模態和受迫振動分析，最終分析出：碳罐支架在X方向上固有頻率與路面激勵的共振，是其支架開裂的主要原因。通過提升車架橫梁的剛度，從而提高碳罐支架的模態，順利解決該開裂故障，不僅避免了碳罐支架的模具報廢，還降低了研發成本和時間成本。該故障整改思路對于今后汽車支架的開裂整改提供了一條快速低成本整改的方法。

關鍵詞：碳罐支架;模態;振動;開裂

中圖分類號：TH122 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1005-2550（2022）05-0052-06

Fault Rectification Analysis of Carbon Canister Bracket Based on Modal Lifting

LI Liang

（Jiangling Motors Corporation Limited Company， Nanchang 330200， China）

Abstract： In view of the cracking of the carbon canister bracket during the road durabilityprocess， the natural frequency and road spectrum of the carbon canister bracket were tested， and then the modal and forced vibration "were analyzed by the finite element method. Finally， it was concluded that the resonance between the natural frequency of the carbon canister bracket and the road excitation in the X directionwas the main reason for the cracking of the carbon canister bracket.By increasing the rigidity of the transverse frame， the mode of the carbon canister bracketwas increasedand the cracking fault was solvedsuccessfully， which not only avoided the scrapping of the mold of carbon canister bracket， but also reduced the Ramp;D cost and time cost. The fault rectification idea provides a rapid and low-cost method for the crack rectification of automobile bracket in the future.

Key "Words： Carbon Canister Bracket; Mode; Vibration; Crack

引 " 言

近年來，隨著我國國家城鎮化、工業化發展和汽車保有量的快速增加，全國大部分城市PM2.5激增，城市空氣環境日益惡劣[1]。隨著國家對機動車尾氣排放標準的日益嚴格，汽車尾氣排放尾氣占污染物的比例越來越少，而油箱內和化油器等產生的有機化合污染物越來越成為城市PM2.5居高不下的主要污染物之一[2，3]。

2016年底，環保部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，國六標準明確規定：汽車在加油過程中產生的油蒸汽只能通過碳罐收集，且明確要求2020年7月1號起全國實施。故現有汽車將按照國家標準強制安裝碳罐支架。

碳罐是汽油車燃油系統的重要部件，是蒸發控制系統的關鍵性的部件，其主要作用是利用碳罐中的碳粉對揮發的燃油蒸汽進行吸附，再利用發動機在工作時產生的負壓，將碳罐內碳粉吸附的汽油蒸汽進行脫附，被發動機吸入進氣管進行燃燒，避免了燃油蒸汽逃逸到空氣導致空氣污染。碳罐吸附和脫附量在降低汽車燃油污染物排放中起主要作用[4，6]。

按照國家標準，某國六SUV車增加碳罐支架設計，但在耐久路試研發階段，出現碳罐支架開裂問題，需要基于有限元仿真技術，分析出碳罐支架開裂原因，并給出優化建議進行故障整改。

對于道路耐久路試支架開裂問題，如葛緒坤[7]等針對蓄電池支架開裂，分析出其一階模態過低與路面發生共振開裂，通過增加中部安裝支架、托盤起筋和增加翻邊等措施進行故障整改。寧厚于[8]等人通過有限元方法分析出支架結構強度不足，通過對直接結構進行改進，進行故障整改。聶鵬[9]等人通過對汽車ABS閥支架增加一條筋措施，避開共振，解決支架斷裂失效問題。上述文獻，對于支架故障開裂也提到支架總成共振問題，其整改途徑多是對支架進行增加厚度、提升材料型號或者重新設計和修改支架等措施，但這往往造成原有支架模具的報廢和新模具的開發，對汽車研發的研發成本和時間成本帶來重大挑戰，不利于汽車快速的研發。

針對某碳罐支架的開裂，利用有限元技術分析出碳罐支架開裂的原因，在保持原有碳罐支架結構不變的前提下，通過碳罐支架附近的橫梁焊接一塊鈑金，提高碳罐總成的整體模態，從而避免碳罐支架與耐久路面的共振，既不增加任何模具開發成本，又節約大量整改時間，快速高效的解決該開裂故障問題。

1 " "初步分析

（1）固有頻率

固有頻率是結構最重要的屬性之一，由結構的材料分布、形狀等決定，與外界載荷或者激勵無關。當結構件的某階固有頻率與外界載荷或者激勵的頻率接近時，該結構件會有較大振動振幅，即共振現象[10]。

汽車在行駛過程中，路面的激勵是無法避免的，共振是現在汽車故障開裂的重要原因[11]。故在設計時，應該對結構件的固有頻率進行考慮，分析其固有頻率。通常的解決方法是對結構件進行設計變更，讓結構件的固有頻率與激勵源的頻率錯開，避免共振。

在測試結構件的模態上，通常采用敲擊激振法試驗進行模態測試，以分析出結構件的固有頻率[12]。通過敲擊法，以實車裝配狀態下的碳罐支架作為試驗結構件，敲擊車架橫梁讓碳罐支架做受迫振動，通過測試碳罐支架上受迫振動響應圖像，來測試碳罐支架的固有頻率。

某車型碳罐支架敲擊而受迫振動頻率響應函數曲線如圖1所示，從受迫頻響函數圖像表明：碳罐支架的一階固有頻率在29.96Hz，陣型為X方向;二階固有頻率為86.74Hz，陣型為Y方向。

（2）路面激勵頻率

為準確找到該碳罐支架開裂的原因，對該開裂的碳罐支架車輛進行道路耐久路譜采集。采集點布置在懸掛碳罐支架車架橫梁附近，采集點的位置如圖2所示。

將采集的加速度信號為時域信號，利用傅里葉轉換將時域信號轉換成頻域下的振動信號，如圖3所示，以便分析道路路面激勵頻率[13]。通過頻域信號可知：碳罐支架附近的加速度在X-Y-Z三個方向上受到的振動幅值不同，但其受迫激勵的頻率范圍均在25Hz～40Hz之間。

結合碳罐支架測試出的固有頻域和道路路譜初步分析表明：碳罐支架X方向的一階頻率29.96Hz恰好處于道路路譜X方向峰值30Hz附近，且最大振動超過3g，在X方向上碳罐支架存在于道路路面的共振的風險。

2 " "有限元分析

（1）有限元建模

碳罐通過支架固定在車架后端的橫梁上，其空間安裝位置如圖4所示。

為了將碳罐固定在車架橫梁上，碳罐支架由5個支架構成：過渡支架、前后主支架和左右輔支架。過渡支架通過端面的孔與車架橫梁孔螺栓連接，翻邊與碳罐前后的主支架點焊連接，左右的輔支架與前后主支架進行點焊焊接，增強整個支架的剛度。在有限元建模中，對于鈑金件，均進行shell網格，網格尺寸采用4mm;因為碳罐內部結構復雜，故對其內部結構進行簡略，將其外殼進行solid實體網格，然后根據碳罐的實際重量對其賦予重量，據此建立碳罐總成有限元模型，如圖5所示：

（2）模態分析

模態分析是一種利用有限元的技術分析結構件的固有頻率和振型的分析方法[14]。目前常用的模態分析模型為Block Lanczos法，其分析結構件固有頻率的自由振動方程可簡化為公式（1）。

（1）

通過自由振動方程得出其模態特征值ω為：

（2）

式中：[M]為質量矩陣;[K]為剛度矩陣;{q}為位移向量;

首先，對碳罐支架進行有限元模態分析，分析其碳罐的安裝在車架狀態下的固有頻率，其前兩階級模態結果，如圖6所示。

碳罐支架測試模態和有限元分析模態分析結果，如表1所示。由表1可知，通過有限元仿真獲取該碳罐支架一階頻率為29.14Hz，陣型為X方向，與測試的碳罐支架X方向的一階模態29.98Hz接近，驗證了該碳罐支架建模及其仿真的精確性。

（3）強度分析

汽車在行駛過程中，不斷承受路面的激勵而作受迫的振動，汽車上支架受迫振動方程可簡化為：

（3）

式中：[C]為阻尼矩陣;F（t）為路面激勵。

對于受迫振動強度分析，首先應保證其模型建模模態的準確性。將對標過模態的碳罐支架的有限元模型進行受迫振動強度分析，路面激勵采用實測的路譜，分析結果如表2所示：

強度分析結果表明：整個碳罐支架最大的應力290.8MPa，超過其材料屈服235MPa;同時最大應力的位置出現在過渡支架開裂的螺栓孔附近，如圖7所示，與道路耐久過渡支架兩個開裂的位置剛好吻合，如圖8所示。由此可知，碳罐支架在X方向的固有頻率與路面激勵發生共振，導致其過渡支架兩個螺栓孔發生開裂。

3 " "故障整改

通過路譜路譜、測試模態、有限元的模態和強度分析結果得知：碳罐支架開裂原因是碳罐支架懸掛在車架橫梁上，在X方向上的固有頻率與道路耐久路譜振動頻率接近共振導致的。故解決該故障的關鍵是提升X方向上碳罐支架的剛度，提升固有頻率。

在模態分析過程中，應變能密度高的地方往往是提升結構固有頻率的關鍵部位[15]。根據碳罐支架開裂狀態模態分析應變能云圖，如圖9可知，車架橫梁的應變能明顯高于碳罐支架的應變能，車架的剛度過于弱導致碳罐支架安裝狀態下的整體一階固有頻率低，故提升碳罐支架總成的關鍵是提升車架橫梁上的剛度。

故優化方案：在車架橫梁上表面根據橫梁走勢點焊一個2mm厚度鈑金，使得車架橫梁上下面閉合，從而增強車架橫梁的剛度，提升碳罐支架的固有頻率，新增鈑金總重量為0.27Kg，方案如圖10所示：

按照上述優化方案進行建模，從新進行模態和受迫振動強度分析，分析結果如圖11和圖12所示。由圖11可知，優化方案的一階模態為40.37Hz，已經超過道路路譜共振帶的上限40Hz，模態達標;由圖12可知，對應的結構強度的最大值依然出現在過渡支架的螺栓孔附近，但其最大的應力為57.9MPa，遠低于材料屈服235MPa，結構強度也滿足要求。

將采用優化方案將車架橫梁上表面增加鈑金，同時重新安裝全新的碳罐支架，重新進行道路耐久試驗。最終，優化方案順利通過道路耐久試驗，碳罐支架未發生新的開裂失效，證明了該優化方案的有效性。

4 " "結論

通過有限性模態和結構強度的分析，得出碳罐支架在X方向上的與路面共振是導致其支架開裂的主要原因，并根據分析結果進行故障整改，順利解決該故障問題。通過該分析得出以下結論：

（1）支架低階固有頻率應遠離路面共振頻率帶，避免發生共振失效;

（2）根據模態分析的應變能的云圖分布，在應變能密度高的地方進行支架的加強，是一種十分有效的提升固有頻率的方法;

（3）對于故障開裂問題的整改，應盡量避免原有支架模具的報廢，以避免增加研發成本和時間成本;

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李 " 亮

畢業于對外經濟貿易大學，碩士學歷，現就職于江鈴汽車股份有限公司產品研發總院，任高級工程師，主要研究領域為車型規劃和整車技術開發，已發表論文2篇。

專家推薦語

肖余芳

東風公司技術中心

試制技術與工藝研究高級工程師

本文對碳罐支架開裂問題進行了全面的分析，通過仿真分析與實際試驗對比，推斷出問題發生的原因，再根據原因采取相應對策，最后進行效果驗證，解決了開裂故障。整個文章論點明確，論據可靠，結論正確，對策簡單易行，為研發節省了時間和成本，對后續研發有一定的設計和經濟價值，有一定的實用性。