汽车NVH正向设计中的系统模态匹配策略研究 - 图文-

1、2010年(第32卷第5期汽车工程Aut omotive Engineering2010(Vol .32No .52010077汽车NVH 正向设计中的系统模态匹配策略研究33国家863重大科技专项(2006AA110101和安徽省科技攻关重大项目(2009AKKG0221资助。原稿收到日期为2009年7月7日,修改稿收到日期为2009年9月11日。陈剑1,2,穆国宝1,2,张丰利3(11合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009;21安徽省汽车NVH 工程技术研究中心,合肥230009;31徐州重型机械有限公司,徐州221001摘要分析了汽车各系统的振动情况,在汽车NVH 正向设计流程

2、的基础上,总结出整车模态匹配的策略与流程,并将其应用到某新车型开发中,很好地解决各系统间的模态匹配问题。关键词:模态频率;NVH;正向设计;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,汽车开发已不再是单纯的结构设计和机构的实现,而是在取得优质零部件总成的基础上,开发出满足法规要求的产品并获得最优

5、的系统性能。汽车的NVH 性能越来越受到客户的重视,汽车开发过程中噪声与振动的控制显得尤为重要。伴随着整车开发方式的转变,整车振动噪声性能的控制重点也从过去的控制零部件和总成入手转变为偏重于对各总成之间性能的匹配。文献1中提出了“V ”型汽车NVH 正向设计流程,并将设计过程分为6个步骤:(1客户需求调研,建立用户需求数据库;(2测试市场上竞争车型的NVH 性能参数;(3确定待开发车型整车NVH 目标,并分解成各个系统及部件目标;(4建模与优化;(5制作虚拟模型车;(6样车的试制与调整。本文中在汽车NVH 正向设计流程的基础上,对汽车NVH 性能最重要的指标振动模态进行了研究,并提出了系统模态

6、匹配策略与流程。1汽车各系统振动分析承载式轿车由车身、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520Hz;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。370汽车工程2010年(第32卷第5期(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

7、1000r/m in,其激励频率范围为2035Hz。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1080Hz2。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2。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

8、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580Hz。2模态匹配策略与流程211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580Hz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

9、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。21111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3。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

10、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。21112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4。21113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

11、,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。21114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。212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

12、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。2010(Vol.32No.5陈剑,等:汽车NVH正向设计中的系统模态匹配策略研究371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。311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5,通过上述试验建立

13、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。图2白车身一阶扭转振型312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372汽车工程2010年(第32卷第5期 率为3319Hz,一阶弯曲模态频率为46173Hz 。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

14、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22191Hz,表2车身各主要零件灵敏度信息及厚度的优化取值设计变量抗扭灵敏度/Hz mm -1抗弯灵敏度/Hz mm -1质量灵敏度初始厚度/mm优化结果/mm调整结果/mm前地板010553-014211142×10-201801702017顶盖后横梁外板-01327-7113×10-22138×10-3101899019B 柱加强板0121811177177×10-311511312113左右侧围218241123126×10-2017

15、501702017门窗加强板-011799175×10-21119×10-3112110121后地板213711721145×10-201801702017后轮轮罩01698014256115×10-301701702017A 柱内板0130611503152×10-311211601116B 柱内板0126411155173×10-311511281113后背门安装板2102-1139×10-34172×10-311511565116后背门安装加强板019171141×10-34139×10-

16、3112019981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6。 图3转向盘垂向振动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。313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。(下转第393页2010(Vol

17、.32No .5汪孛,等:集装箱半挂运输车气动特性的数值仿真及改进393方流去。漩涡的消失使气流的能量损耗减少,阻力系数得到进一步减小。图19为车身尾部对称面速度流线及速度云图。由图可见,尾部流场相对于原车型并未有明显变化,由于导流罩及间隙位置离尾部较远,各个参数的变化对尾部流场的影响不大。 图19车身尾部对称面速度流线及速度云图(R =500mm,L =876mm 4结论(1原车型集装箱的前面形成强烈的阻滞区。对整车的气动阻力影响较大。(2加装导流罩后,气动阻力随着导流罩的半径R 的变小而减小,最大的降幅为19134%。(3随着驾驶室与集装箱的间距减小,气动阻力变小。最大降幅为4166%。(

18、4加装导流罩对气动阻力改进的效果明显优于驾驶室与集装箱间距改变所产生的效果。(5综合考虑导流罩的最佳圆角半径和驾驶室与集装箱的最佳间距,优于单个参数改变对气动阻力的影响,降幅为20159%。参考文献1谷正气.汽车空气动力学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.汽车空气

19、动力学M .北京:机械工业出版社,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,胡兴军,等.导流罩对轻型货车气动特性影响的数值模拟J .吉林大学学报(工学版,2008,38(1:12-16.6王福军.计算流体动力学分析M .北京:清华大学出版社,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