汽车中滑门异响分析研究

摘 要: 本文阐述利用CAE 模态响应分析法，在产品开发前期找出中滑门异响结构方面的弱点，并进行优化，分析结论与异响主观评价、客观测试的结果基本吻合。对于复杂的异响问题，系统性的异响评估应包括CAE分析、主观评价和客观测试三个方面。事实证明，在产品开发前期，特别是没有样件的情况下，CAE 可以解决部分异响问题。
关键词: 中滑门 异响 CAE 模态响应法

1 概述

1.1 异响介绍

随着汽车技术的不断推陈出新，各级供应商和整车厂之间日益紧密的合作，不同品牌汽车的使用性能和安全性能之间的差别日趋缩小，相比之下，汽车的舒适性能如振动和噪声就常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素。顾客对汽车舒适性的要求越来越高，每个国家对噪声污染的控制越来越严，因此NVH性能已经成为衡量汽车质量的重要标志之一。

NVH 指Noise(噪声)、Vibration(振动)、Harshness(舒适性)，汽车NVH特性就是研究车辆的噪声和振动对整车性能和舒适性的影响。

异响（Squeak and Rattle）是由于两个部件相接触（摩擦或碰撞）而产生的不悦耳的噪声。作为汽车NVH问题的一个重要组成部分，异响很容易让人感觉到，同时影响到乘客对整车质量的评价。现在，异响已经是乘客感知整车质量水平高低的一个重要标准。现实中，影响异响的参数极为复杂，其中包含两个部件的几何形状、材料系数、相接触速度等的组合，CAE分析的目的是尽可能通过车身设计优化减少异响敏感区域的振动幅度以减少相对应的异响风险（重点在于预防而非预测）。传统的异响问题可以通过主观评价和零部件测试来鉴别和解决，在产品开发初期也可以通过CAE分析解决部分问题。

根据异响产生的机理可以分为三类：

振动声（Buzz）：结构振动或共振发出的嗡嗡的声音，如图1 所示；
摩擦声（Squeak）：物体表面接触滑动、摩擦产生的吱吱的尖锐声，如图2 所示；
敲击声（Rattle）：相邻零部件之间撞击产生的咔嗒声，如图3 所示。

1.2 中滑门异响

中滑门大都应用于商用车和MPV车型中，随着汽车市场的进一步细分，MPV车型作为一种中高端车型越来越受到市场的青睐；而随着我国经济的不断发展，特别是农村生活质量的不断提升，商用车的市场亦十分广阔。

商用车结构较乘用车差距较大，其中滑门在开车时抖动异响的情况普遍存在。传统异响分析一般在后期才会被发现并确定，等待样件出来以后，通过主观评价和客观测试来评价并解决问题，这将导致产品成本的进一步提高。经过多年的总结与积累，本文将利用CAE 中的模态响应分析方法，进行虚拟的商用车中滑门异响测试，并优化结构的设计弱点，在产品设计阶段控制异响。然后结合汽车异响主观评价和客观试验测试，对整车进行主客观评价与测试，其结论表明CAE 分析结果与主观评价、客观测试的结果基本吻合。

2 中滑门异响的CAE分析

在产品开发前期，CAE 分析可以找出中滑门及车体的结构和NVH 性能方面的弱点，通过优化结构以及加强连接处的刚度，达到控制异响的目的。

2.1 有限元模型的模态分析

本次模态分析的模型为商用车内外饰白车身（Trimmed-Body）模型，在HyperMesh模块下进行有限元建模，具体如图4。 计算Trimmed-Body模型0~80Hz频率范围内的自由模态。

2.2 基于模态的响应分析

基于Trimmed-Body的模态结果，进行响应分析，与目标曲线进行比较，并通过模态参与因子找出对异响影响最大的模态。

2.2.1 模态响应法

利用模态分析结果进行响应分析。设定相应的模态阻尼，选取底盘接附点为激励点（如图5所示），中滑门相应位置为响应输出点（如图6所示），得到响应点的速度-频率曲线图。其中，左板簧前吊耳激励引起的中滑门抖动速度最大，左中门C柱上部（A点）X方向抖动速度最大，对应频率为25Hz，如图7所示。

2.2.2 模态贡献量分析

通过模态贡献量分析可知，25Hz对应系统53阶模态。

为了确定在响应分析中对某一峰值贡献量最大的模态，就必须计算出每一个模态在该峰值处的相对贡献量。

从物理自由度转化为模态自由度的方程式如下：

将此方程式展开后可得：

对于一个系统承受频率为的正弦激励，其响应也是一个频率为的正弦函数，如下所示：

速度响应如下：

计算位移、速度和加速度响应处的模态贡献量，相对应的方程式可书写如下：

故可在复变函数平面上用向量来表示。

复变函数A的振幅为每一个模态向量在向量A方向的投影值的代数和。

复变函数A的振幅如下：

模态j的贡献量可用两个向量的相乘得到如下：

用非向量形式表示如下：

Mrj：模态在某一响应点和某一自由度的模态贡献量
Re：实值
Im：虚值

正的模态贡献量表示该模态对于响应值有贡献，而负的模态贡献量表示该模态减少响应，故对该响应有益。

2.2.3 优化并验证

通过分析系统53阶模态，找出设计弱点，进行优化并验证，可降低响应值。

3 中滑门异响的试验测试

异响可以通过专门的检测路段、四通道模拟路谱或激振器直接激励进行评估和测试。对异响的评价要做到主观评价与客观测试相结合。S&R 路况道路试验可以在专用的汽车道路实验场里进行，对各种行驶路况下车内的异响等级进行评估。四通道模拟路谱试验可以在室内的实验室里进行，激励路谱可以选用汽车在专用的汽车道路实验场采集的路谱。

3.1 异响的主观评测

异响问题可以通过驾车进行主观评价测试，其结果主要依赖于人的听力和经验。为了使主观评价能够准确地评估异响，要确定异响产生的位置、类型和等级，然后分析原因，再找出相应的解决办法。

3.2 异响的客观测试

异响的客观测试可以通过直接测量异响噪声，确定噪声对异响的贡献量和异响的频率。也可以测量零部件对异响的敏感度，异响敏感度就是在承受激励时的响应，灵敏度越高，响应越大，振幅就越大，出现异响的几率也就大。

客观测试得出的结论与CAE分析、主观评价结果基本吻合。

4 总结

对于汽车的异响问题，CAE分析只是解决异响问题的第一步，即在方案设计阶段优化车体结构。要想完全避免异响问题，还需要进一步提高装配精度和产品质量等问题。

对于前期汽车结构的异响问题，需要建立系统性的异响评估和分析方法，这其中包括CAE 分析，主观评价和客观测试。通过多款整车系统性的异响评估，逐步建立起各级别车型关于异响分析和测试的数据库，从而为解决异响问题提供有价值的目标值，最终建立相应的异响问题解决规范，使其可以系统的应用到产品开发过程中，真正意义上的指导解决异响问题。

5 参考文献
[1] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动—理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2006.
[2] 傅志方,华宏星.模态分析理论与应用.上海:上海交通大学出版社,2000.
[3] 张胜兰,郑冬黎,郝琪等.基于HyperWorks的结构优化设计技术.北京:机械工业出版社,2000.