汽车NVH正向设计中的系统模态匹配策略研究
承载式轿车由车身、动力总成和底盘3大总成组成;底盘又可细分为转向系统、悬架系统和制动系统等。汽车上各系统以不同的方式相互连接在一起,如动力总成、悬架系统、转向系统、排气系统和开启件直接与车身相连,排气系统又与动力总成相连。动力总成的振动主要考虑两方面。
(1)自身的刚体和弹性振动模态,刚体振动模态频率范围大概在5～ 20Hz;根据经验,弹性振动模态频率一般高于200Hz,远远高于NVH分析所感兴趣的频率。
(2)发动机的惯性不平衡力引起的激励成为车内振动与噪声最主要的激励源,与发动机的缸数及怠速转速有关,轿车怠速转速一般为700～ 1 000r/min,其激励频率范围为20～ 35Hz。
车身结构振动不仅引起自身结构的疲劳损坏,而且是车内低频结构辐射噪声源,其频率范围为10～ 80Hz。一般考察其一阶扭转振动模态和一阶弯曲振动模态,使其避开发动机的怠速激励频率,以免引起车身共振。
操纵机构的振动主要是由于安装吊挂刚度偏低、自身结构动力特性不当或车身振动过大而产生。操纵机构的振动容易使驾驶员疲劳,严重时可能引起操纵失控。转向盘及管柱安装总成与车身振动或其它激励源发生共振时,会引起剧烈的上下跳动和左右摆动,因此转向系统也是模态匹配考虑的重要目标。
排气系统的振动主要由发动机振动和其自身排气激励所引起,并通过挂钩和吊耳引起车身地板的振动进而产生车内噪声,因此科学规划排气系统的模态特性,合理设计其悬挂点是控制此项振动的有效途径。
综上所述,汽车各系统振动模态匹配的重点是做好动力总成、车身、转向系统、排气系统等几大系统的模态频率规划与分布,模态匹配的频率范围为5～ 80Hz。
2 模态匹配策略与流程
2.1 模态匹配策略
模态匹配最基本的原则是在设计上保证各子系统的模态频率不与发动机怠速激励频率发生共振。
白车身及各子系统主要的振动频率都在5～ 80Hz以内,虽然能避开发动机的激励频率,但子系统之间很可能出现模态耦合的情况。在设计过程中,模态匹配的理想状态是各系统自身的模态彼此解耦,同时所有相邻的系统模态彼此解耦[3]。文中提出一种基于汽车NVH正向设计流程的整车模态匹配策略,它以模态规划表为基础、以车身为模态匹配中心、以外协系统为基本控制单元、以车身附属系统为匹配关键点。
2.1.1 模态规划表
在汽车的开发过程中,为了在设计时避免相连系统产生共振,各部门工程师可协商制定各个系统的模态频率范围并绘制成表格,标出各个系统的模态频率,把相连系统的模态频率错开,即得到整车模态频率规划表。在制定系统振动目标值时,应综合考虑客户需求、政府法规、竞争车型NVH性能、本公司技术水平以及发动机的怠速激励情况。各系统振动模态频率目标值的制定过程即是模态规划的过程。在模态匹配过程中以模态规划表为各个系统的设计指南,各部门应严格按照规划表来设计,当其中一个系统的模态频率发生变化时,必须根据这张表来调整与之相连系统的模态频率。
2.1.2 车身
车身作为一个多自由度的弹性系统,其固有频率也就相应表现为无限多的固有模态,其低阶模态振型多为整体振型,高阶模态振型多为一些局部振型。合理的车身振动模态分布对汽车的NVH性能有着十分重要的影响。在车身结构设计阶段,当结构动态特性不能满足模态规划表制定的目标值时,应对车身的模态参数进行修改。灵敏度分析是模态参数修改的理论依据,通常是将车身低阶整体模态频率提高到目标值水平,并保证车身足够的刚度和较轻的质量。
2.1.3 外协系统
整车厂为了缩短开发周期,直接从零部件厂采购一些系统和部件,如排气系统、座椅、动力传动系统等。在采购过程中,整车厂与零部件供应商应充分协调合作,确定采购部件合理的NVH性能指标并写进采购合同,保证各系统合理匹配,实现整车NVH性能最优。
2.1.4 其他系统
一些需要整车厂自己设计的部件,如转向系统、车身某些附属系统等,应该避开车身的第一阶弯曲模态频率和第一阶扭转模态频率。为实现整车有较好的NVH性能,通常采用的方法是:
(1)使所设计部件的模态频率值远高于车身的一阶弯曲和一阶扭转频率;
(2)将该部件布置在车身的模态节点上,如将油箱、电池等分别布置在车身弯曲模态的节点上。
2.2 模态匹配流程
根据汽车NVH正向设计流程及模态匹配策略,制定整车模态匹配流程,见图1。将整个匹配过程分成概念设计、虚拟设计和样车试制3个阶段,在各个阶段应采取相应的控制措施严格遵守匹配策略。
图1 整车模态匹配流程
3 模态匹配的实例研究
以某款汽车开发为实例,引入汽车NVH正向设计流程和汽车模态匹配策略。
3.1 概念设计
对新车型的几款竞争车型进行了NVH性能试验,包括整车和部件NVH水平测试、整车和部件NVH固有特性试验,其中固有特性试验主要包括整车模态试验、白车身与整备驾驶室模态试验、车架与整备车架模态试验、动力总成刚体模态试验、动力总
成弹性模态试验、悬架固有频率试验、排气系统模态试验、座椅与转向系统模态试验以及传动轴模态试验等,通过上述试验建立竞争车型NVH性能数据库,确定开发车型的NVH指标及目标值分解,绘制整车模态频率规划表,如表1所示。
3.2 虚拟设计
对白车身及各系统进行固有特性分析,以模态规划表为指南,对各不达标的系统进行结构修改,直到其振动频率满足模态规划表。图2为白车身一阶扭转振型图,分析结果显示白车身一阶扭转模态频率为33.9Hz,一阶弯曲模态频率为46.73Hz。
图2 白车身一阶扭转振型
根据模态规划表的要求,该白车身一阶扭转模态频率值还小于其设计目标值35Hz,因此对其进行了模态参数修改的灵敏度分析,同时控制车身的扭转刚度、弯曲刚度,以车身质量最轻为目标,进行优化并经调整后决定最终取值。车身灵敏度信息、其主要板件厚度的优化结果和最终取值如表2所示。
图3为转向盘垂向振动模态,频率为22.91Hz,对转向系统支架进行灵敏度分析及优化,使转向系统频率达到目标值。
对模态频率规划表中的其他系统,结构设计工程师可利用试验分析和CAE分析的结果进行优化设计,使其模态频率特性符合要求。
3.3 样车试制与调整
经过大量的设计、分析和优化工作,形成符合预设目标的汽车NVH虚拟样机。当样机同时满足汽车设计中安全性等其他要求后,可冻结设计数据,签订采购合同,试制样车。试制的样车可以在试验室中或道路上进行试验。一般是用三向加速度传感器
测量人与车接触部件(如转向盘和座椅)的实测振动值与目标值的差异,进行必要的调整与修改,直至顺利批量生产。
4 结论
文中总结出一种汽车系统模态匹配的策略,将该策略流程化,并应用于某款汽车开发过程。通过应用模态匹配策略,制定模态频率规划表,在整车NVH虚拟设计平台上,设计出模态频率分布趋于合理,避免各总成系统(白车身、门盖系统、转向盘转向柱系统、排气系统、悬架系统等)的共振耦合,达到了提高整车系统模态频率值的目标。
