整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用

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频率规划表


汽车NVH设计中,为了避免系统出现共振,采用一张表格对整车系统的模态频率范围进行规定以确保其频率互相错开,这个表即是整车频率规划表。频率规划表通常包含激励频率、系统模态频率及频率规避策略三部分。其中激励频率、系统模态频率在表中直接以数字体现,频率规划策略却隐含着悄无声息地决定着各频率的范围。

激励频率


激励频率考察整车输入端,主要提取稳定工况下的主要激励频率。通常包括发动机(怠速)燃烧激励、路面激励及轮胎不平衡激励等频率。


系统模态频率


系统模态频率考察整车的响应端及中间路径中各系统模态频率,通常包括车身模态、闭合件模态、动力总成刚体模态、排气系统模态、悬架系统模态、转向系统模态以及声腔模态等频率。


频率规划策略


频率规划策略即是对整车的激励频率及系统模态频率进行科学规划使其满足频率分离,从而避免共振的发生。合理的频率规划策略能使整车频率满足:


(1) 激励频率与系统固有频率分离;

(2) 系统自身模态彼此解耦;

(3) 相关系统模态彼此解耦。


整车频率规划表在乘用车NVH开发中由来已久,使用成熟,已经能很轻易满足上述要求,怠速共振问题已极少出现。设计师也能得心应手地调整系统频率范围来追求更高刚性车身及模态频率,以获得强迫响应下更好的NVH表现。同时频率规划表也能兼容同一平台下不同尺寸、不同配置及驱动的车型。

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轻卡频率规划的特点


轻卡[注1]由于对NVH设计需求的不同,其频率规划表发展相对较缓。多为零星地应用频率分离原理解决具体共振问题,或者针对专门系统(转向、车架等)模态进行频率设定,鲜有对轻卡整车频率规划表进行全面研究。从规划表构成要素而言,频率规划策略轻卡与乘用车一致;但轻卡在激励频率部分需要增加打气泵等激励规划;在系统模态方面车架模态、驾驶刚体模态频率也需要科学设定。轻卡频率规划表特点总结如下:


(1) 频率规划策略与乘用车一致;

(2) 打气泵作为制动动力源,并且激励力无法内部平衡,是重要激励源;

(3) 相对独立的承载式车架,需设定其自身模态频率并与相关零件解耦;

(4) 驾驶室通过悬置与车架连接,其自身刚体模态需解耦并与相关系统解耦。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图1

图1 轻卡向轿车“问道”避频策略


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轻卡频率规划策略


频率规划策略核心是对频率范围进行科学规划,确保频率分离,相互频率之间分离范围和频率数值大小有关,和车型类别无关。轻卡频率规划策略也主要确保:系统自身模态彼此解耦、相关系统模态彼此解耦、输入频率与响应模态频率分离。


自身模态解耦


主要指子系统自身模态之间的频率分离,以防止子系统受某方向激励后产生其余方向的响应,进而导致问题的复杂化。如轻卡的动力系统刚体模态解耦、驾驶室刚体模态解耦、车身弯曲模态和扭转模态解耦以及转向系统横向摆动和垂向模态互相解耦等。


相关系统模态解耦


主要指相关系统模态之间保持一定的频率分离。例如驾驶室扭转模态通常与仪表板一阶整体模态以及转向系统模态解耦,以防止车身被路面激励起来后的共振及异响问题。同时驾驶室大钣金一阶局部模态与声腔的模态也需要解耦,以防止钣金共振振动对声腔的压迫。


输入频率与响应模态频率分离


即是要求系统模态频率避开激励频率一定范围,这是频率规划表的核心目的。发动机怠速频率是一个重要的整体激励频率,系统模态均与其保持频率分离。在轻卡中,打气泵频率也是一重要激励,系统模态(尤其Z向模态)需与其保持频率分离。同时悬架跳动频率以及轮胎不平衡激励频率与车身及转向系统模态也保持频率分离。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图2

图2 轻卡频率规划策略示意图


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激励频率分析


发动机和路面是整车主要激励源,也是频率规划表的激励频率的主要构成。路面的激励通过底盘系统和轮胎传递到车架,其频率通常较低(最高通常为悬架跳动,<16Hz)。路面的激励主要影响驾驶室刚体模态、车架模态、座椅模态等。来自发动机的低频激励主要是怠速一阶和二阶激励,打气泵的激励也是重要组成部分。发动机一阶和打气泵激励频率主要影响发动机及驾驶室刚体模态、车架模态、座椅模态;而发动机二阶激励频率则影响所有重要系统模态频率。


4.1 发动机燃烧激励


发动机是整车怠速工况下的主要激励源,其激励频率和转速相关。以直列四缸发动机为例,其最大激励为2阶激励,整车重要系统模态频率均要与该频率避频。同时怠速工况下一阶频率较低,需要与座椅等系统模态频率分离。


发动机转速对应的激励频率计算公式如下:


f=r*p/60                            (1)


其中f为频率,r为发动机怠速转速,p为特征系数二阶取值2。


发动机怠速工况的激励频率需考虑空调开和关状态,并考虑转速波动。在本项目中怠速空调关转速800±30rpm(二阶频率为26.7±1Hz);怠速空调开转速为850±30rpm(28.3±1Hz)。如下频率表所示,此项目怠速二阶激励频率为25.7-29.3Hz,一阶怠速频率为12.8-14.6Hz。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图3

图3 某发动机右悬置车身侧振动激励频谱示例


4.2 打气泵活塞往复惯性力激励


轻卡采用气动刹车系统,为其提供气源的打气泵为单缸活塞结构,其工作时候产生较大的周期激励,其激励频率如下公式2。在频率规划表中,打气泵激励频率主要影响发动机和驾驶室Z向跳动频率,同时需与发动机怠速一阶频率合理分离,防止拍频问题出现。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图4

整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图5

图4 某轻卡打气泵内部构造图


4.3 路面不平激励


路面的激励通常为宽频并以低频为主,但悬架的同步(Hop)异步(Tramp)跳动模态会显著放大对应频率的激励。在频率规划表中,来自路面的激励以悬架系统的同步异步跳动模态频率代替。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图6

悬架的跳动模态频率取决于悬架形式、簧下质量和悬架的刚度,同一系列车型的悬架跳动模态频率相似。本项目中后悬为11-12Hz,前悬12-13Hz,该频率主要影响动力系统总成Z向跳动频率和车架垂向弯曲模态频率。


4.4 轮胎不平衡激励


车轮作为高速旋转件,其自身不平衡质量会导致周期性的振动激励。通常轮胎不平衡激励频率主要影响座椅系统及后视镜系统的频率。最高车速下激励频率依据如下公式3计算,本项目中100kpm对应激励频率为11.3Hz。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图7


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响应端模态

轻卡结构主要包含驾驶室、车架、动力及底盘系统,其中底盘系统主要影响输入端在前文已讲述。车架为承载式货车的专有结构,其响应模态主要包含整体模态及局部的横梁和支架模态频率。驾驶室和动力系统都通过悬置连接在车架上,其刚体模态频率需要进行专门的规划。同时,转向系统、座椅系统、仪表板系统都是驾驶员直接感受的部件,其模态频率依然是规划的重点。整车响应端模态频率规划主要满足如下要求:


(1) 与激励频率分离;

(2) 各系统自身模态彼此解耦;

(3) 相关系统模态彼此解耦。


5.1 车架模态


车架为轻卡承载的核心结构,路面及发动机激励首先作用于车架,再经由悬置隔振后传递到驾驶室及相关系统。同时车架为保证承载及可靠性,其截面尺寸及料厚往往被约束或有固定序列,导致其频率范围调整性较小。车架整体频率通常包含一阶扭转、横向弯曲、垂向弯曲模态。其频率规划的原则如下:


(1) 与输入端悬架的跳动模态、发动机的怠速激励避频;

(2) 与动力系统、驾驶室系统对应方向刚体模态解耦。


车架的扭转模态范围5~10Hz,主要与发动机及驾驶室Z向跳动模态解耦。一阶侧(横)向弯曲模态通常低于一阶垂向模态,主要考虑和发动机及驾驶室Y向刚体模态解耦。车架一阶垂向模态频率14~22Hz,需要规避怠速频率,同时与发动机及驾驶室Z向模态解耦。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图8

车架与动力及驾驶室连接处的局部模态也会显著影响该处的振动传递,需要对该处支架一阶模态及所在横梁模态进行频率规划。动力系统在车架侧的安装支架,通过衬套与发动机直接相连,其一阶模态频率需要高于最高转速对应的4阶激励频率,以保证发动机整个工作过程中不发生共振。同时为规避轰鸣等问题,需要对应的横梁模态设定频率目标,确保不被发动机在加速过程中激励起来。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图9

5.2 动力及驾驶室刚体模态


动力系统和驾驶室系统都通过悬置与车架相连接,其频率规划的原则如下:


(1) 自身刚度模态的解耦;

(2) 与怠速频率避频;

(3) 避开人体敏感频率。


动力系统采用悬置与车架连接,其刚体模态频率范围5-18Hz,其通用原则如下:


(1) 侧倾模态RX频率与二阶怠速激振频率满足隔振要求;

(2) 垂向模态Z频率避开人体敏感频段;

(3) 垂向模态Z频率与俯仰模态频率RY满足避频要求;

(4) 横向模态Y频率与侧倾模态频率RX满足避频要求;

(5) 纵向模态X频率与横摆模态RZ满足避频要求;

(6) 各模态满足对应解耦率要求。

表1 某轻卡动力系统频率分布及解耦汇总表

整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图10

轻卡的驾驶室与乘用车不同,通过悬置连接在车架上,驾驶室刚体模态主要考虑频率及解耦问题。其模态频率设定原则如下:


(1) 垂向模态Z频率规避人体敏感频段;

(2) 垂向模态Z频率与俯仰模态频率RY需满足避频要求;

(3) 各模态(尤其是垂向模态)达到解耦率要求。

表2 某轻卡驾驶室频率分布及解耦汇总表

整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图11

5.3 声腔模态


驾驶室声腔是频率规划表的重要组成成分,获得其频率后,需确保驾驶室地板顶棚等大钣金一阶模态频率与其避频。轻卡由于其尺寸问题,其一阶模态频率通常较高,一般高于局部大钣金的一阶模态。

表3 某轻卡驾驶室声腔模态频率汇总表

整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图12

整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图13

5.4 驾驶室模态


驾驶室是NVH的最终响应端,转向盘、仪表板、座椅及后视镜都是人直接感受的部件,其响应模态主要包含如下:


(1) 一阶弯曲/扭转模态

(2) 局部(钣金)模态

(3) 转向系统模态

(4) 座椅模态

(5) 后视镜模态

(6) 仪表板模态


这些系统其频率规划的原则如下:


(1) 与激励频率避频;

(2) 相关系统解耦。


座椅模态频率通常为16-20Hz,其频率需高于悬架激励及发动机一阶怠速激励。转向系统模态频率需要高于怠速二阶激励,同时自身垂向和横向模态分离。仪表板模态通常高于怠速二阶激励,同时需要与转向系统、车身模态频率分离。车身及后视镜通常高于发动机二阶怠速频率,其自身需要保持频率分离。

整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图14

图5 驾驶室典型系统(转向系统、座椅、仪表板)模态振型示例

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轻卡频率规划表案例及总结


某轻卡开发项目中,通过对基础车和对标车进行摸底测试,结合频率规划的策略制定了项目开发的整车频率规划表。该规划表对发动机怠速一阶、二阶激励频率、打气泵激励频率、悬架的跳动频率及最高车速下的轮胎激励进行了识别及汇总。同时对车架模态、驾驶室及动力系统刚体模态、转向系统、座椅等模态进行了合理规划,确保了与激励频率的避频以及自身和相关系统模态解耦。


整车模态规划在轻卡NVH设计中的应用的图15

图6 某车型整车频率规划表(截取)


整车频率规划策略在轻卡和乘用车通用,均是要实现以下目的:(1) 激励频率与系统模态频率分离;(2) 各系统自身模态彼此解耦;(3) 相关系统模态彼此解耦。在轻卡频率规划表的激励端,需将打气泵频率作为重要管控项与系统模态频率分离,同时注意其与发动机怠速频率的拍频问题。在系统模态端,车架模态、驾驶室刚体模态则是重要的组成部分,需完成自身模态解耦和相关系统模态解耦。借助轻卡整车频率规划表,对激励及系统模态频率进行梳理,并通过频率策略的应用,能很好地规避轻卡由于共振导致的抖动等问题,从而提高轻卡的NVH性能。

 

注1——轻卡定义:  普通货车,依据国标GB/3730.1-2001中2.1.2.3.1章节定义,为一种在敞开(平板式)或封闭(厢式)载货空间内载运货物的货车;结合1988版国标定义,轻型商用货车(简称轻卡)为总重量从1.8吨至6.0吨的普通货车。本次整车频率规划针对的轻卡主要指具有独立的车架,采用内燃机驱动,驾驶室和发动机通过悬置连接在车架上的轻型商用货车,其他商用货车频率规划也可参考。

参考文献

[1]黄显利.卡车的噪声与振动及其控制策略.北京:北京理工大学出版社

[2]庞剑. 汽车车身噪声与振动控制[M].北京:机械工业出版社,2015:251-259

[3]张丰利.基于汽车NVH正向设计流程的整车模态匹配研究

[4]李飞. 重型卡车的整车模态分析:2014中国汽车工程学会年会论文集,2014CG_NV040

[5]陈剑, 穆国宝, 张丰利。汽车NVH正向设计中的系统模态匹配策略研究[J],汽车工程,2010:vol.32

[6] Chavan U. S. Modal coupling effect from modal alignment perspective for light commercial vehicle, E-ISSN 0976-3945


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