汽車NVH正向設計中的系統(tǒng)模態(tài)匹配策略研究 - 圖文-

1、2010年(第32卷第5期汽車工程Aut omotive Engineering2010(Vol .32No .52010077汽車NVH 正向設計中的系統(tǒng)模態(tài)匹配策略研究33國家863重大科技專項(2006AA110101和安徽省科技攻關重大項目(2009AKKG0221資助。原稿收到日期為2009年7月7日,修改稿收到日期為2009年9月11日。陳劍1,2,穆國寶1,2,張豐利3(11合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,合肥230009;21安徽省汽車NVH 工程技術(shù)研究中心,合肥230009;31徐州重型機械有限公司,徐州221001摘要分析了汽車各系統(tǒng)的振動情況,在汽車NVH 正向設計流程

2、的基礎上,總結(jié)出整車模態(tài)匹配的策略與流程,并將其應用到某新車型開發(fā)中,很好地解決各系統(tǒng)間的模態(tài)匹配問題。關鍵詞:模態(tài)頻率;NVH;正向設計;匹配A Study on the Strategy for Modal Matching Bet w eenSystem s in Vehicle NVH Top 2down DesignChen J i a n1,2,M u Guobao1,2&Zhang Fengli311School of M echanical and Auto m otive Engineering,Hefei U niversity of Technology,Hefe

3、i 230009;21Auto m otive NVH Engineering and Technology Research Center A nhui P rovince,Hefei 230009;31Xuzhou Heavy M achinery Co .,L td .,Xuzhou 221001AbstractThe vibrati ons in vari ous syste m s of vehicle are analyzed .The strategy and work fl ow of modal matching are su mmarized based on the ve

4、hicle NVH t op 2down design fl ow .The strategy and work fl ow are app lied t o a ne w car devel opment,well s olving the modal matching p r oble m bet w een vari ous syste m s .Keywords:m oda l frequency;NVH;top 2down desi gn;ma tch i n g前言目前,汽車開發(fā)已不再是單純的結(jié)構(gòu)設計和機構(gòu)的實現(xiàn),而是在取得優(yōu)質(zhì)零部件總成的基礎上,開發(fā)出滿足法規(guī)要求的產(chǎn)品并獲得最優(yōu)

5、的系統(tǒng)性能。汽車的NVH 性能越來越受到客戶的重視,汽車開發(fā)過程中噪聲與振動的控制顯得尤為重要。伴隨著整車開發(fā)方式的轉(zhuǎn)變,整車振動噪聲性能的控制重點也從過去的控制零部件和總成入手轉(zhuǎn)變?yōu)槠赜趯Ω骺偝芍g性能的匹配。文獻1中提出了“V ”型汽車NVH 正向設計流程,并將設計過程分為6個步驟:(1客戶需求調(diào)研,建立用戶需求數(shù)據(jù)庫;(2測試市場上競爭車型的NVH 性能參數(shù);(3確定待開發(fā)車型整車NVH 目標,并分解成各個系統(tǒng)及部件目標;(4建模與優(yōu)化;(5制作虛擬模型車;(6樣車的試制與調(diào)整。本文中在汽車NVH 正向設計流程的基礎上,對汽車NVH 性能最重要的指標振動模態(tài)進行了研究,并提出了系統(tǒng)模態(tài)

6、匹配策略與流程。1汽車各系統(tǒng)振動分析承載式轎車由車身、動力總成和底盤3大總成組成;底盤又可細分為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。汽車上各系統(tǒng)以不同的方式相互連接在一起,如動力總成、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和開啟件直接與車身相連,排氣系統(tǒng)又與動力總成相連。動力總成的振動主要考慮兩方面。(1自身的剛體和彈性振動模態(tài),剛體振動模態(tài)頻率范圍大概在520Hz;根據(jù)經(jīng)驗,彈性振動模態(tài)頻率一般高于200Hz,遠遠高于NVH 分析所感興趣的頻率。370汽車工程2010年(第32卷第5期(2發(fā)動機的慣性不平衡力引起的激勵成為車內(nèi)振動與噪聲最主要的激勵源,與發(fā)動機的缸數(shù)及怠速轉(zhuǎn)速有關,轎車怠速轉(zhuǎn)速一般為700

7、1000r/m in,其激勵頻率范圍為2035Hz。車身結(jié)構(gòu)振動不僅引起自身結(jié)構(gòu)的疲勞損壞,而且是車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)輻射噪聲源,其頻率范圍為1080Hz2。一般考察其一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)和一階彎曲振動模態(tài),使其避開發(fā)動機的怠速激勵頻率,以免引起車身共振。操縱機構(gòu)的振動主要是由于安裝吊掛剛度偏低、自身結(jié)構(gòu)動力特性不當或車身振動過大而產(chǎn)生。操縱機構(gòu)的振動容易使駕駛員疲勞,嚴重時可能引起操縱失控2。轉(zhuǎn)向盤及管柱安裝總成與車身振動或其它激勵源發(fā)生共振時,會引起劇烈的上下跳動和左右擺動,因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是模態(tài)匹配考慮的重要目標。排氣系統(tǒng)的振動主要由發(fā)動機振動和其自身排氣激勵所引起,并通過掛鉤和吊耳引起車身地板的振動

8、進而產(chǎn)生車內(nèi)噪聲,因此科學規(guī)劃排氣系統(tǒng)的模態(tài)特性,合理設計其懸掛點是控制此項振動的有效途徑。綜上所述,汽車各系統(tǒng)振動模態(tài)匹配的重點是做好動力總成、車身轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)的模態(tài)頻率規(guī)劃與分布,模態(tài)匹配的頻率范圍為580Hz。2模態(tài)匹配策略與流程211模態(tài)匹配策略模態(tài)匹配最基本的原則是在設計上保證各子系統(tǒng)的模態(tài)頻率不與發(fā)動機怠速激勵頻率發(fā)生共振。白車身及各子系統(tǒng)主要的振動頻率都在580Hz以內(nèi),雖然能避開發(fā)動機的激勵頻率,但子系統(tǒng)之間很可能出現(xiàn)模態(tài)耦合的情況。在設計過程中,模態(tài)匹配的理想狀態(tài)是各系統(tǒng)自身的模態(tài)彼此解耦,同時所有相鄰的系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦3。文中提出一種基于汽車NVH正向設計流

9、程的整車模態(tài)匹配策略,它以模態(tài)規(guī)劃表為基礎、以車身為模態(tài)匹配中心、以外協(xié)系統(tǒng)為基本控制單元、以車身附屬系統(tǒng)為匹配關鍵點。21111模態(tài)規(guī)劃表在汽車的開發(fā)過程中,為了在設計時避免相連系統(tǒng)產(chǎn)生共振,各部門工程師可協(xié)商制定各個系統(tǒng)的模態(tài)頻率范圍并繪制成表格,標出各個系統(tǒng)的模態(tài)頻率,把相連系統(tǒng)的模態(tài)頻率錯開,即得到整車模態(tài)頻率規(guī)劃表3。在制定系統(tǒng)振動目標值時,應綜合考慮客戶需求、政府法規(guī)、競爭車型NVH性能、本公司技術(shù)水平以及發(fā)動機的怠速激勵情況。各系統(tǒng)振動模態(tài)頻率目標值的制定過程即是模態(tài)規(guī)劃的過程。在模態(tài)匹配過程中以模態(tài)規(guī)劃表為各個系統(tǒng)的設計指南,各部門應嚴格按照規(guī)劃表來設計,當其中一個系統(tǒng)的模態(tài)頻

10、率發(fā)生變化時,必須根據(jù)這張表來調(diào)整與之相連系統(tǒng)的模態(tài)頻率。21112車身車身作為一個多自由度的彈性系統(tǒng),其固有頻率也就相應表現(xiàn)為無限多的固有模態(tài),其低階模態(tài)振型多為整體振型,高階模態(tài)振型多為一些局部振型。合理的車身振動模態(tài)分布對汽車的NVH性能有著十分重要的影響。在車身結(jié)構(gòu)設計階段,當結(jié)構(gòu)動態(tài)特性不能滿足模態(tài)規(guī)劃表制定的目標值時,應對車身的模態(tài)參數(shù)進行修改。靈敏度分析是模態(tài)參數(shù)修改的理論依據(jù),通常是將車身低階整體模態(tài)頻率提高到目標值水平,并保證車身足夠的剛度和較輕的質(zhì)量4。21113外協(xié)系統(tǒng)整車廠為了縮短開發(fā)周期,直接從零部件廠采購一些系統(tǒng)和部件,如排氣系統(tǒng)、座椅、動力傳動系統(tǒng)等。在采購過程中

11、,整車廠與零部件供應商應充分協(xié)調(diào)合作,確定采購部件合理的NVH性能指標并寫進采購合同,保證各系統(tǒng)合理匹配,實現(xiàn)整車NVH性能最優(yōu)。21114其他系統(tǒng)一些需要整車廠自己設計的部件,如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身某些附屬系統(tǒng)等,應該避開車身的第一階彎曲模態(tài)頻率和第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。為實現(xiàn)整車有較好的NVH性能,通常采用的方法是:(1使所設計部件的模態(tài)頻率值遠高于車身的一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)頻率;(2將該部件布置在車身的模態(tài)節(jié)點上,如將油箱、電池等分別布置在車身彎曲模態(tài)的節(jié)點上。212模態(tài)匹配流程根據(jù)汽車NVH正向設計流程及模態(tài)匹配策略,制定整車模態(tài)匹配流程,見圖1。將整個匹配過程分成概念設計、虛擬設計和樣車試制3個

12、階段,在各個階段應采取相應的控制措施嚴格遵守匹配策略。2010(Vol.32No.5陳劍,等:汽車NVH正向設計中的系統(tǒng)模態(tài)匹配策略研究371圖1整車模態(tài)匹配流程3模態(tài)匹配的實例研究以某款汽車開發(fā)為實例,引入汽車NVH正向設計流程和汽車模態(tài)匹配策略。311概念設計對新車型的幾款競爭車型進行了NVH性能試驗,包括整車和部件NVH水平測試、整車和部件NVH固有特性試驗,其中固有特性試驗主要包括整車模態(tài)試驗、白車身與整備駕駛室模態(tài)試驗、車架與整備車架模態(tài)試驗、動力總成剛體模態(tài)試驗、動力總成彈性模態(tài)試驗、懸架固有頻率試驗、排氣系統(tǒng)模態(tài)試驗、座椅與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)試驗以及傳動軸模態(tài)試驗等5,通過上述試驗建立

13、競爭車型NVH性能數(shù)據(jù)庫,確定開發(fā)車型的NVH指標及目標值分解,繪制整車模態(tài)頻率規(guī)劃表,如表1所示。圖2白車身一階扭轉(zhuǎn)振型312虛擬設計對白車身及各系統(tǒng)進行固有特性分析,以模態(tài)規(guī)劃表為指南,對各不達標的系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)修改,直到其振動頻率滿足模態(tài)規(guī)劃表。圖2為白車身一階扭轉(zhuǎn)振型圖,分析結(jié)果顯示白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻372汽車工程2010年(第32卷第5期 率為3319Hz,一階彎曲模態(tài)頻率為46173Hz 。根據(jù)模態(tài)規(guī)劃表的要求,該白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值還小于其設計目標值35Hz,因此對其進行了模態(tài)參數(shù)修改的靈敏度分析,同時控制車身的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度,以車身質(zhì)量最輕為目標,進行優(yōu)化并經(jīng)調(diào)整后決定

14、最終取值。車身靈敏度信息、其主要板件厚度的優(yōu)化結(jié)果和最終取值如表2所示。圖3為轉(zhuǎn)向盤垂向振動模態(tài),頻率為22191Hz,表2車身各主要零件靈敏度信息及厚度的優(yōu)化取值設計變量抗扭靈敏度/Hz mm -1抗彎靈敏度/Hz mm -1質(zhì)量靈敏度初始厚度/mm優(yōu)化結(jié)果/mm調(diào)整結(jié)果/mm前地板010553-014211142×10-201801702017頂蓋后橫梁外板-01327-7113×10-22138×10-3101899019B 柱加強板0121811177177×10-311511312113左右側(cè)圍218241123126×10-2017

15、501702017門窗加強板-011799175×10-21119×10-3112110121后地板213711721145×10-201801702017后輪輪罩01698014256115×10-301701702017A 柱內(nèi)板0130611503152×10-311211601116B 柱內(nèi)板0126411155173×10-311511281113后背門安裝板2102-1139×10-34172×10-311511565116后背門安裝加強板019171141×10-34139×10-

16、3112019981對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支架進行靈敏度分析及優(yōu)化,使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)頻率達到目標值6。 圖3轉(zhuǎn)向盤垂向振動對模態(tài)頻率規(guī)劃表中的其他系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設計工程師可利用試驗分析和CAE 分析的結(jié)果進行優(yōu)化設計,使其模態(tài)頻率特性符合要求。313樣車試制與調(diào)整經(jīng)過大量的設計、分析和優(yōu)化工作,形成符合預設目標的汽車NVH 虛擬樣機。當樣機同時滿足汽車設計中安全性等其他要求后,可凍結(jié)設計數(shù)據(jù),簽訂采購合同,試制樣車。試制的樣車可以在試驗室中或道路上進行試驗。一般是用三向加速度傳感器測量人與車接觸部件(如轉(zhuǎn)向盤和座椅的實測振動值與目標值的差異,進行必要的調(diào)整與修改,直至順利批量生產(chǎn)。(下轉(zhuǎn)第393頁2010(Vol

17、.32No .5汪孛,等:集裝箱半掛運輸車氣動特性的數(shù)值仿真及改進393方流去。漩渦的消失使氣流的能量損耗減少,阻力系數(shù)得到進一步減小。圖19為車身尾部對稱面速度流線及速度云圖。由圖可見,尾部流場相對于原車型并未有明顯變化,由于導流罩及間隙位置離尾部較遠,各個參數(shù)的變化對尾部流場的影響不大。 圖19車身尾部對稱面速度流線及速度云圖(R =500mm,L =876mm 4結(jié)論(1原車型集裝箱的前面形成強烈的阻滯區(qū)。對整車的氣動阻力影響較大。(2加裝導流罩后,氣動阻力隨著導流罩的半徑R 的變小而減小,最大的降幅為19134%。(3隨著駕駛室與集裝箱的間距減小,氣動阻力變小。最大降幅為4166%。(

18、4加裝導流罩對氣動阻力改進的效果明顯優(yōu)于駕駛室與集裝箱間距改變所產(chǎn)生的效果。(5綜合考慮導流罩的最佳圓角半徑和駕駛室與集裝箱的最佳間距,優(yōu)于單個參數(shù)改變對氣動阻力的影響,降幅為20159%。參考文獻1谷正氣.汽車空氣動力學M .北京:人民交通出版社,2005:25-55.2Wood R ichardM ,Bauer Steven X S .Si m p le and Low 2costAer ody 2na m ic D rag Reducti on Devices for Tract or 2Trailer TrucksC .S AE Paper 2003-01-3377.3傅立敏.汽車空氣

19、動力學M .北京:機械工業(yè)出版社,1998.4Subrata Roy,Pradeep Srinvasan .External Fl ow Analysis of a Truckfor D rag Reducti onC .S AE Paper 2000-01-3500.5王靖宇,胡興軍,等.導流罩對輕型貨車氣動特性影響的數(shù)值模擬J .吉林大學學報(工學版,2008,38(1:12-16.6王福軍.計算流體動力學分析M .北京:清華大學出版社,2004:124.7Khonge A shok D,Jain Sunil K,et al .Si m ulati on of the Fl ow 2FiledA r ound a Generic Tract or 2Trailer TruckJ .S AE Pa