模态分析在轻型载货汽车变型设计中的应用

田海洲 文

概要：随着对汽车乘座舒适性要求的不断提高，载货汽车的振动和噪声逐渐成为用户关注的重要指标之一。控制振动噪声的手段很多，其中模态分析是一种常用的、非常有效的控制方法。基于此，本文主要针对模态分析在轻型载货车变型设计中的应用进行了分析和探讨。

目前，对结构动态特性的预测、模态参数的获取和修改已经不是很困难的事。特别在进行变型车设计时，利用模态试验和模态分析能有效地测量因结构改变而引起的汽车系统动态特性的变化，避免因个别子系统结构变化引起整车振动性能的恶化。

1 整车模态频率规划表

整车模态频率规划表是为避免相连系统出现共振，规划各系统的模态频率范围所制成的表格。汽车上各个系统是相互连接在一起的，相连系统的模态频率一定要分开，以免同时发生共振。在汽车开发过程中，各个系统的开发既相互关联又相对独立，整车模态频率规划表能够指导各个系统的设计，调节各个系统之间的关系，使相连系统的模态分离。整车模态频率规划表从设计阶段就开始考虑避开相连接部件的频率，从而减少由试验出现共振现象后再修改结构的反复过程。

2 变型车开发中出现的共振问题及其分析

某国产1.5 t轻型载货车，其基本车型为单排驾驶室车型。为满足部分客户对双排驾驶室车型的需求，要在基本车型的基础上进行双排驾驶室车型设计。安装双排驾驶室，需将基本车型的空气滤清器及其支架位置在整车中后移520 mm。根据通用化、系列化设计原则，此变型车设计时仍借用基本车型的空气滤清器及其支架。变型车物理样车性能试验时，发现空气滤清器支架在行车时剧烈抖动，造成空气滤清器与进气道漏气，严重影响发动机的进气质量。该问题在基本车型中却没出现。为找到空气滤清器支架在行车时剧烈抖动的原因，分别对车架及与之相连的空气滤清器支架进行模态试验分析和模态计算。

2.1 车架模态试验分析

模态振动试验系统主要包括下面几部分:(1)激振部分，包括信号发生器、功率放大器和激振器等；(2)信号测量和数据采集记录部分，一般包括加速度传感器、阻抗头、电荷放大器、数据转换和记录装置等；(3)信号分析和频响函数估计部分，通常由模态分析软件和计算机硬件组成。

车架振动模态试验利用弹簧悬吊法将车架用四根弹性刚度较小的弹簧悬吊在刚性良好的支架上，车架保持水平。悬挂点分别位于前、后桥正上方附近，与车架相连处为4个质量很小的挂钩，这样车架接近于自由状态。激振点选择的原则是使激振力易于传向结构的各个部位，并避开振动节点，结构薄弱环节和悬挂点(支撑点)，且考虑安装方便。本试验使用两个激振器，激振点分别选在左纵梁最前部和右纵梁最后部成对角激振，不仅满足激振点选择原则，而且在该点激振，对车架的对称及反对称模态都能够呈现出最大的变形量。将26个ICP三向加速度传感器依次对称布置在车架纵梁上，加速度响应测点位置、数目和测振方向确定的基本原则是:能够明确显示研究频率范围内的结构模态振型；保证研究的关键点在测点范围内；测量方向一般与激振方向一致。试验使用LMS公司生产的多点激振模态分析系统，测试频率范围是0～100 Hz。测得车架固有频率和相应振型如表1所示。

2.2 计算空气滤清器支架频率

利用CAD软件建立空气滤清器支架三维模型，导入CAE软件中进行网格划分和参数设置，并对其进行模态计算。由于空气滤清器支架是由薄壁圆管和薄板组成，故采用壳单元进行网格划分。对焊点的处理目前还没有十分成熟的技术，本文对焊接部位采用节点之间的刚性耦合来模拟。该处理方法低阶模态具有较高的精度，但在高阶模态时误差较大。由于本文主要是对低阶模态进行求解，所以采用该方法的精度能满足要求。求出一阶模态频率为19.86 Hz。

表1 车架模态频率和振型

2.3 空气滤清器支架抖动分析

由车架模态试验分析和空气滤清器支架有限元模态计算结果不难看出，空气滤清器支架的一阶模态频率(19.86 Hz)与车架的一阶弯曲频率(21.43 Hz)非常接近，车架的一阶弯曲振动很容易激起空气滤清器支架的共振。由于单排驾驶室基本型滤清器支架安装位置在车架一阶弯曲的节点附近，没有引起共振。而双排驾驶室变型车空气滤清器支架安装位置后移520 mm，远离车架一阶弯曲的节点，所以在变型车上，空气滤清器及其支架会出现剧烈抖动。若事先采取整车模态频率规划表便能很容易地避免该问题的发生。

3 解决方案

由于整车布置空间的局限，不能将双排驾驶室的空气滤清器支架布置在车架一阶弯曲节点的附近，而通过改变车架模态来适应空气滤清器支架模态，可能会由于车架模态的变化引起车架与其他系统模态不匹配，导致该方法也是行不通的。现在可行的、也是非常有效的办法就是通过改变空气滤清器支架的结构达到调整模态频率的目的，使其固有模态频率远高于车架一阶弯曲模态频率，从而避免共振。

为提高空气滤清器支架的固有模态频率，对支架结构进行改进设计，并对新结构进行模态计算。详细改进方案及改进后的模态计算如表2所示。

表2 空气滤清器支架的改进方案及固有模态频率

由表2可以看出，在各种方案中增加支架直径对提高固有频率较为明显。虽然支架直径由40 mm增加到50 mm，但支架壁厚由4 mm变为3 mm，支架自质量比原方案还略有降低。其余改进方案均使工序复杂或自质量增加，且对提高固有频率作用不太明显。故采用方案4，该方案固有频率为31.48 Hz。仅车架的一阶弯曲频率是21.43 Hz，当其他系统安装到车架上时，在整车上测量车架的固有频率要低于21.43 Hz。显然，空气滤清器支架固有频率与车架一阶模态频率之比大于√2，这样由车架一阶弯曲引起的振动很难激起空气滤清器支架的固有频率。将改进后的支架安装在变型车上，经实车验证空气滤清器没有出现剧烈抖动现象，问题较好地得到解决。

4 结语

综合以上分析，本文所研究的载货车车架各横梁布置得当，固有频率过渡平缓，能够很好地避开动力总成、路面等传递而来的频率段，不会引起车辆的共振现象，从而提高了车辆的平顺性和可靠性。