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基于模态贡献量诊断法的背门抖动控制方法研究

2022-07-31苏永雷 王卓 彭磊 顾建涛 万闯建

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汽车背门抖动影响驾驶舒适性,本文针对搓板路面背门抖动问题进行了研究,从结构优化角度提出解决背门抖动问题的一般控制方法。首先,利用传递函数分析的方法研究引起背门抖动的敏感激励方向,以及背门抖动主要发生的位置区域;然后,通过模态贡献量分析,找出对背门振动响应峰值贡献最大的模态。最后,针对贡献量最大的模态,提出结构优化方法,并通过试验验证改进措施的有效性。

1 概述

       随着汽车技术的不断推陈出新,汽车NVH特性成为评价汽车综合性能的重要指标,越来越受到汽车厂商和客户的重视。背门作为SUV、MPV车型的重要部件,其抖动将直接影响整车NVH性能。

       本文以某SUV车型为研究对象,其以16-18km/h的速度行驶在搓板路时,背门局部(放置汽车牌照位置)存在抖动现象。针对此问题,基于HyperMesh建立整车有限元模型,进行背门抖动的控制分析。

2 车内结构振动响应

       复杂系统受多种激励作用,每种激励都可能通过不同的路径,传递到响应点。假设一辆汽车受m个激振力作用,每个激振力都有x,y,z三个方向分量(下面分别用k=1,2,3表示),每一激振力都对应着n个特定传递路径,那么这个激振力分量和对应的某个传递路径就产生一个响应分量。以车内振动作为系统响应,这个振动分量可以表示为:


       其中Hmnk(w)是传递函数,Fnk(w)是激振力的频谱。

       车内振动受某个激振力作用,传递过来的所有振动成分之和为:


       车内振动受所有激振力作用,传递过来的所有振动成分之和为:


       激振力是路面激励,背门振动响应对应的传递路径为轮胎→悬架→车身→背门。

3 路面激励下背门抖动原因分析

       引起背门抖动的主要原因有:结构设计因素,密封条、缓冲块位置和数量,线束布置等。

       本文着重从优化结构设计的角度出发解决背门抖动问题。

       3.1 主要分析工况

       路面激励由轮胎传递到整车各部件,激励加载位置为轮胎中心。路面激励方向主要是沿上下Z向和前后X向,根据激励的不同,分为以下8个工况进行背门抖动分析。

路面激励分析工况示意图

图1 路面激励分析工况示意图


       3.2 响应点位置确定

       根据路试中背门抖动严重的部位,将下图中标识的六个位置作为背门振动响应的测量点。考虑到背门结构的对称性,只需要考察A/B/C/D四点沿前后方向的振动响应情况。

背门响应点位置

图2 背门响应点位置


       3.3 传递函数分析

       针对上述8个工况,取激励大小为1N,定性评价不同工况对背门振动响应的影响。结果如下:

各工况背门的响应

图3 各工况背门的响应


       可以看出,(1)背门模型峰值位置在24Hz处;(2)背门前后方向的振动对X方向的激励较敏感,X方向的激励是引起背门抖动的主要原因;(3)工况7引起的背门抖动最大,背门内板局部振动(D点)最明显。下文将重点评估工况7,背门内板局部振动响应。

4 故障诊断及结构优化

       4.1 基于模态贡献量分析的故障诊断

       以工况7为例,进一步对背门抖动原因进行分析,运用模态贡献量诊断方法,研究影响背门抖动的主要模态成分。参数输出如图4所示:背门最大振动发生在频率24Hz处,其中第46阶模态占比66%,为背门弯曲模态。

背门响应点模态贡献量分析结果

图4 背门响应点模态贡献量分析结果


       1)通过模态分析的方法考察弯曲模态的应变能分布,应变能较高的位置则刚度较低,可以通过提高这些位置的刚度来提高背门整体的弯曲刚度。背门外板应变能分布见图5,背门中部两处位置应变能较为集中。

       2)通过模态振型查看背门弯曲模态内外板之间的相对运动状态,发现背门内外板在牌照附近的相对振动较大,需加强支撑。

背门外板应变能分布

图5 背门外板应变能分布


       4.2 结构优化及结果验证

       通过提高背门一阶弯曲模态的方法,降低背门振动响应。结合背门应变能和背门模态振型特征进行分析,提出如图6优化方案:(1)增加背门外板加强件,厚度1.2mm;(2)增加内外板之间的支撑件,厚度0.7mm。

背门结构优化示意图

图6 背门结构优化示意图

 

优化前后响应点振动响应

图7 优化前后响应点振动响应


       经过优化,背门内板最大幅值对应频率由24Hz提高到25.5Hz,对应响应幅值降低35%,见图7。同时,其他工况各响应点的振动在优化后都有不同程度的改善。针对优化后的背门,做进一步实车路试验证,试验结果表明:在搓板路面背门振动的主观感受不明显,问题得到解决。

5 结论

       针对搓板路面背门抖动问题进行了研究,本文从结构优化角度提出解决背门抖动问题的一般控制方法。利用传递函数分析的方法研究引起背门抖动的敏感激励方向,以及背门抖动主要发生的位置区域;通过模态贡献量分析,找出对背门振动响应峰值贡献最大的模态。针对贡献量最大的模态,结合背门应变能和背门模态振型提出结构优化方法,最后针对改进措施进行验证,结果表明改进措施能够较好地降低背门抖动异响。本文的研究方法能够应用于其他车型和路试标准,为解决背门抖动问题提供工程参考。

责任编辑:程玥
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