連 昊，黃德佳，韋世科，蘇海雁

（柳州五菱汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著中國(guó)特色社會(huì)主義的不斷推進(jìn)，人民的生活水平在不斷提高，對(duì)汽車(chē)舒適性的要求也越來(lái)越高，對(duì)NVH 性能也越來(lái)越重視，而整車(chē)的振動(dòng)中動(dòng)力總成的振動(dòng)占了很大一部分。同時(shí)，如今電動(dòng)化也在呈上升趨勢(shì)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)后獨(dú)立懸架，其電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成一般通過(guò)3 個(gè)或4 個(gè)懸置安裝在后副車(chē)架上，如果后副車(chē)架電機(jī)懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度過(guò)低將會(huì)影響到整個(gè)隔振效果，有可能帶來(lái)比較大的振動(dòng)與噪聲，對(duì)整車(chē)NVH 性能將會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響。因此，對(duì)于后副車(chē)架的電機(jī)懸置安裝點(diǎn)必須進(jìn)行必要的動(dòng)剛度分析與提升，以確保整車(chē)的NVH 性能。

1 動(dòng)剛度與應(yīng)變能理論基礎(chǔ)

動(dòng)剛度是動(dòng)載荷下懸置支架抵抗變形的能力。在CAE 分析軟件中動(dòng)剛度分析一般采用的是模態(tài)頻率響應(yīng)方法，輸出的是加速度頻響曲線(xiàn)IPI，是在一定頻率范圍內(nèi)通過(guò)在加載點(diǎn)施加單位力作為輸入激勵(lì)，同時(shí)將該點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)，測(cè)得該點(diǎn)在對(duì)應(yīng)頻率范圍內(nèi)的加速度導(dǎo)納。分析得到IPI 之后，可以通過(guò)對(duì)式（1）進(jìn)行如下轉(zhuǎn)換，得到原點(diǎn)動(dòng)剛度的計(jì)算式（2）。

式（1）（2）中，（t）是加速度；F（t）是激勵(lì)力；ω是圓頻率；f是頻率；Ka是原點(diǎn)動(dòng)剛度。

現(xiàn)在行業(yè)評(píng)價(jià)動(dòng)剛度的方法有很多種，其中有許多將動(dòng)剛度劃分為低頻段和高頻段的平均動(dòng)剛度進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了方便將分析的結(jié)果與目標(biāo)值進(jìn)行比較，需要將分析得到的原點(diǎn)動(dòng)剛度的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以計(jì)算得到在某一段頻率范圍內(nèi)的平均動(dòng)剛度，算式為：

式中，n為頻率個(gè)數(shù)[1]。

應(yīng)變能是指物體變形過(guò)程中儲(chǔ)存在物體內(nèi)部的勢(shì)能，利用應(yīng)變能和動(dòng)剛度分析得到的應(yīng)變能稱(chēng)為動(dòng)剛度應(yīng)變能，即物體因某一頻率的動(dòng)載荷而變形所儲(chǔ)存在自身內(nèi)部的勢(shì)能。在動(dòng)剛度CAE 分析中，在某一頻率的動(dòng)載荷下單元應(yīng)變能越高，則局部的位移越大，結(jié)構(gòu)的剛度就越低，即動(dòng)剛度應(yīng)變能分布反映了物體在各個(gè)頻率動(dòng)載荷下變形集中區(qū)域，找出彈性位移變化較大部位，然后通過(guò)對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提升其結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度。

2 電機(jī)懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度分析

一車(chē)型為電驅(qū)動(dòng)后獨(dú)立懸架，電機(jī)及減速器總成通過(guò)前二后一的三點(diǎn)懸置安裝在后副車(chē)架上，后副車(chē)架主要由前后橫梁、左右縱梁以及若干支架等零件拼焊而成，如圖1 所示。為了保證整車(chē)擁有良好的NVH性能，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)前期就要對(duì)后副車(chē)架上電機(jī)懸置安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度進(jìn)行分析，因?yàn)樽?、右前懸置結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，下面分析以左前懸置安裝點(diǎn)為例。

圖1 后副車(chē)架電機(jī)三點(diǎn)懸置示意圖

將后副車(chē)架數(shù)模進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后抽取中面，將中面數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh 中進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建，采用Shell 殼單元模擬，單元大小3 mm，焊縫連接采用四邊形殼單元模擬，后副車(chē)架安裝點(diǎn)處采用rbe2 單元進(jìn)行處理，進(jìn)行6 自由度全約束。電機(jī)總成使用集中質(zhì)量點(diǎn)模擬，通過(guò)spring 單元附加到三個(gè)懸置點(diǎn)上。分析時(shí)將左前懸置安裝點(diǎn)XYZ三個(gè)方向的激勵(lì)載荷各定義為一個(gè)工況，載荷為1 N 的集中力，求解范圍在20～ 1000 Hz，以激勵(lì)點(diǎn)作響應(yīng)點(diǎn)，輸出懸置安裝點(diǎn)的加速度響應(yīng)IPI，通過(guò)轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)動(dòng)剛度，然后再次計(jì)算得到其在20～ 200 Hz 和200～500 Hz 兩個(gè)頻率段內(nèi)的平均動(dòng)剛度，見(jiàn)表1。

表1 后副車(chē)架左前懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度值

根據(jù)對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)懸置安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度目標(biāo)值設(shè)定為X向大于15000 N/mm，Y向大于8000 N/mm，Z向大于15000 N/mm，而分析得左前懸置安裝點(diǎn)X向低頻段平均動(dòng)剛度為6515 N/mm，高頻段平均動(dòng)剛度為5452 N/mm，Z向低頻段平均動(dòng)剛度為9518 N/mm，高頻段平均動(dòng)剛度為14273 N/mm，不滿(mǎn)足目標(biāo)值的要求，影響整車(chē)NVH 性能。

為了進(jìn)一步分析左前懸置動(dòng)剛度偏弱的具體頻率，以找出針對(duì)性的優(yōu)化方法，現(xiàn)調(diào)出其X向與Z向的原點(diǎn)動(dòng)剛度頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖2 所示。從圖可知，X向動(dòng)剛度較低的兩個(gè)低谷主要在218 Hz 和463 Hz，Z向動(dòng)剛度較低的兩個(gè)低谷主要在259 Hz 和471 Hz左右。對(duì)照后副車(chē)架約束模態(tài)分析結(jié)果表2 可知，這些頻率基本都接近后副車(chē)架的約束模態(tài)，其中X向動(dòng)剛度低谷點(diǎn)頻率接近后副車(chē)架1 階和5 階約束模態(tài)，Z向動(dòng)剛度低谷點(diǎn)頻率接近后副車(chē)架2 階和5 階約束模態(tài)，且這幾個(gè)頻率下后副車(chē)架振型左前懸置安裝點(diǎn)變形位移都很大，所以，在這幾個(gè)頻率的激勵(lì)力下，后副車(chē)架接近發(fā)生共振狀態(tài)，從而導(dǎo)致左前懸置支架處變形較大，所以要有針對(duì)性的提升這幾個(gè)頻率下左前懸置X向、Z向的動(dòng)剛度，即提升后副車(chē)架左前懸置支架在這幾個(gè)頻率下抵抗變形的能力，從而對(duì)整體的低頻與高頻平均動(dòng)剛度進(jìn)行提升[2]。

圖2 X 向（上）與Z 向（下）原點(diǎn)動(dòng)剛度的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

表2 后副車(chē)架約束模態(tài)分析結(jié)果

3 應(yīng)變能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，副車(chē)架局部安裝點(diǎn)動(dòng)剛度可以通過(guò)以下手段進(jìn)行優(yōu)化：增加加強(qiáng)筋，但效果有限；合理設(shè)計(jì)零件搭接，提升搭接剛度；關(guān)鍵零件厚度加厚，對(duì)于小件可行，但對(duì)于大件不利于輕量化；優(yōu)化橫截面結(jié)構(gòu)，提升零件剛度；局部增加加強(qiáng)件等。為了有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化，下面對(duì)后副車(chē)架左前懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度進(jìn)行應(yīng)變能分析。

首先在前面動(dòng)剛度CAE 分析時(shí)就要添加應(yīng)變能選項(xiàng)，然后從后處理軟件中調(diào)取218 Hz 和463 Hz 下X向動(dòng)剛度應(yīng)變能結(jié)果，如圖3 所示，接著繼續(xù)調(diào)取259 Hz 和471 Hz 下X向動(dòng)剛度應(yīng)變能結(jié)果，如圖4所示。綜合分析可知，后副車(chē)架前橫梁與縱梁搭接前端應(yīng)變能分布較集中，說(shuō)明此處連接剛度相對(duì)較弱，可以增大此處的連接，同時(shí)這樣也能更靠近車(chē)身安裝套管，剛性更好；前橫梁在左前懸置支架下方部位應(yīng)變能分布較集中，說(shuō)明此處對(duì)懸置點(diǎn)動(dòng)剛度貢獻(xiàn)較大，可以加大此處橫截面積；左前懸置左支架翻邊腿附近應(yīng)變能分布較集中，說(shuō)明此處剛度有待加強(qiáng)，可以將此翻邊腿向外側(cè)移動(dòng)，擴(kuò)大左前懸置左支架與前橫梁的連接投影面積；左前懸置左支架底部?jī)蓚€(gè)翻邊附近應(yīng)變能分布較集中，說(shuō)明此處加強(qiáng)比較有作用，可以增加加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)。

圖3 218 Hz（左）和463 Hz（右）的左前懸置安裝點(diǎn)X 向動(dòng)剛度應(yīng)變能云圖

圖4 259 Hz（左）和471 Hz（右）的左前懸置安裝點(diǎn)Z 向動(dòng)剛度應(yīng)變能云圖

針對(duì)以上分析分別對(duì)后副車(chē)架前橫梁與電機(jī)左前懸置支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5 所示。前橫梁與縱梁搭接前端還有空間可以利用，可以擴(kuò)大此處的搭接面積，優(yōu)化搭接結(jié)構(gòu)，前橫梁與縱梁搭接后端應(yīng)變能相對(duì)較小，為控制材料利用率與重量，此處搭接可以往回縮短。前橫梁在左前懸置支架下方部位橫截面積要加大，即在此處前橫梁上片向上凸起一點(diǎn)（這樣也可以減小懸置支架的懸臂長(zhǎng)度），前橫梁下片向上下凸起一點(diǎn)，由于電機(jī)懸置包絡(luò)間隙需要，上片需要打一處凹坑進(jìn)行避讓。左前懸置左支架將之前搭在前橫梁上表面的翻邊腿改為搭在前橫梁后側(cè)面，以此增大左前懸置左支架與前橫梁的連接投影面積，增大支架剛度。左前懸置右支架增加一塊焊接加強(qiáng)板，增加支架與前橫梁的連接剛度。整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后后副車(chē)架的總質(zhì)量沒(méi)有增加，在進(jìn)行提升動(dòng)剛度性能的同時(shí)重充分考慮了輕量化[3]。

圖5 優(yōu)化后后副車(chē)架模型圖

優(yōu)化后電機(jī)左前懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度明顯提高，低谷值均有提高并后移，如表3 所示，X向低頻段平均動(dòng)剛度為19197 N/mm，提升了194.7%，高頻段平均動(dòng)剛度為20826 N/mm，提升了282.0%，Z向低頻段平均動(dòng)剛度為15850 N/mm，提升了66.5%，高頻段平均動(dòng)剛度為20858 N/mm，提升了46.1%，X向、Y向、Z向三向平均動(dòng)剛度均達(dá)到了目標(biāo)值，其中X向與Z向原點(diǎn)動(dòng)剛度的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比如圖6 所示。后續(xù)開(kāi)展了實(shí)物樣件的懸置點(diǎn)動(dòng)剛度測(cè)試試驗(yàn)，如圖7 所示，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性與優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

表3 優(yōu)化方案左前懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度值

圖6 優(yōu)化前后X 向（左）與Z 向（右）原點(diǎn)動(dòng)剛度的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比

圖7 后副車(chē)架懸置點(diǎn)動(dòng)剛度測(cè)試試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

NVH 是整車(chē)性能的重要衡量指標(biāo)之一，由于后副車(chē)架電機(jī)懸置安裝點(diǎn)動(dòng)剛度對(duì)動(dòng)力總成隔振與噪音有很大的影響，故我們需要對(duì)其進(jìn)行分析。通過(guò)CAE 分析得出其前懸置安裝點(diǎn)在高低頻段X、Z向動(dòng)剛度較低，然后對(duì)識(shí)別出動(dòng)剛度低谷所在頻率值進(jìn)行動(dòng)剛度應(yīng)變能分析，從而對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明了方向。通過(guò)對(duì)前橫梁與前懸置支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，電機(jī)前懸置安裝點(diǎn)X、Z向動(dòng)剛度得到了提高，在充分提升動(dòng)剛度的同時(shí)做到輕量化，同時(shí)該分析優(yōu)化方法對(duì)其他電動(dòng)車(chē)副車(chē)架懸置點(diǎn)動(dòng)剛度優(yōu)化提供了借鑒方法。