客运三轮车地板振动舒适性分析与结构优化.pdf

第2 3卷 第1 5期2 0 2 3年 8月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 5A u g.,2 0 2 3客运三轮车地板振动舒适性分析与结构优化雷 鹏,黄国鹏,王 兵,欧欣然(隆鑫通用动力股份有限公司 技术中心,重庆4 0 0 0 5 2)摘要:为了解决某客运三轮摩托车地板在行驶过程中出现的振动舒适性问题,采用测试分析和计算机辅助工程相结合的方法,分析地板发生剧烈振动的主要原因是地板在1 0 0H z频段附近存在的密集局部鼓包模态与车架的弯曲模态频率1 0 2H z相耦合而发生共振。针对这个问题,采取增加地板厚度和对地板局部区域刚度进行加强的优化方案,改变地板的固有振动特性,利用振动测试试验进行对比分析,对优化方案的科学性进行试验验证。试验结果表明,优化后车辆地板的剧烈振动情况得到有效控制,地板振幅下降达5 0%6 0%。优化方案有效地控制了车辆地板的剧烈振动,且成本较低,易于实施。研究结果为车辆地板的振动控制与结构优化提供了新的设计方案和工程决策依据。关键词:客运三轮车;地板;振动控制;优化设计中图分类号:U 4 8 3 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 5-0 1 7 5-0 5收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 2作者简介:雷鹏(1 9 9 1),男,四川泸州人,隆鑫通用动力股份有限公司技术中心,NVH工程师,工程硕士,研究方向为车辆NVH控制;黄国鹏(1 9 8 2),男,重庆人,隆鑫通用动力股份有限公司技术中心,NVH工程师,研究方向为车辆NVH控制;王兵(1 9 9 1),男,重庆人,隆鑫通用动力股份有限公司技术中心,NVH工程师,研究方向为车辆NVH控制;欧欣然(1 9 8 6),女,重庆人,隆鑫通用动力股份有限公司技术中心,NVH工程师,工学硕士,研究方向为车辆NVH控制。作为城乡用户短途出行的主要交通工具之一,客运三轮摩托车在承载、操纵稳定性及道路适应等方面具备较强的优势,深受用户的青睐,故而其振动舒适性也越来越受到用户的关注1。如果车辆在行驶过程中,地板出现剧烈的振动,会让乘员的脚部有很强的抖动感和麻木感,而且这种感受还会通过座椅直接传递到乘员的全身,不仅严重影响车辆的振动舒适性,还可能危害乘员的身心健康2-3。因此,如何科学地对车辆地板结构进行布局和优化设计,改善整车的振动性能,是技术人员在试验开发过程中必须要应对的课题。三轮摩托车的市场化和客运化,要求摩托车在振动、操控等方面必须符合更为严格的标准,故而对摩托车进行振动特性分析显得尤为重要。车辆地板振动问题的控制,首先应了解车辆的振动传递路径。周立群4、黄泽好等5基于传递路径分析,研究了不同路径对车辆局部位置振动的贡献量大小,为提升地板的振动舒适性提供参考依据。基于模态分析的车架振动特性分析与控制,已逐步成为工程师研究车辆振动舒适性的重要技术手段。李召鹏等6借助于阶次跟踪和频谱分析,确定了引起车辆地板振动的主要激励源,找出最佳的优化思路和技术路线,为高效合理地设计地板优化方案提供方向和试验支撑。王长新等7对车辆地板开展模态计算和灵敏度分析,得到对地板振动响应承担较大的结构和参数,明确了对地板模态分布影响因素的主次关系,从而使地板的结构优化与改进有的放矢。上述研究基本仅局限于利用有限元手段进行分析与研究,缺少试验验证。而在实际产品的生产应用过程中,可能出现即使满足仿真设计要求也发生失效的现象,这并没有真正意义上实现工程化,导致企业产品无法进行生产与应用,其工程价值大打折扣。某客运三轮车在原理样车阶段,试验工程师发现样车在发动机转速为60 0 0r/m i n时,地板异常振动剧烈,脚部振动发麻感较为明显,车辆的乘坐体验感较差。针对此问题,基于计算机辅助工程和测试分析相结合的技术手段,着手开展对地板的振动分析与结构优化工作。从模态角度入手,基于H y p e rM e s h对车架及地板进行有限元建模和模态分析,求 解 出 相 应 的 固 有 频 率 和 振 型 特 征;基 于LM ST e s t.L a b测试系统对原车地板进行客观的振动摸底测试,得到地板的共振点和发动机相应的转速。结合地板测试结果和模态分析结果,诊断车辆571地板振动舒适性较差的根本原因。依据研究结果,指导工程设计师对原车架地板的设计方案进行结构优化。最后,对方案车进行试验验证和主观评价,验证优化设计的振动控制效果。1 原理样车振动原因分析与诊断1.1 原理样车振动测试为分析仅由发动机单独提供激励时,车辆地板的振动响应情况,将样车静置进行试验,选择LM ST e s t.L a b测试系统对其进行客观摸底测试。由于在评价过程中车辆振动舒适性问题主要集中在地板位置,尤其是前、后排座椅地板之间的区域振动表现的最为剧烈,故而选择在该区域的地板上布置振动加速度传感器采集其振动信号,坐垫、手把位置作为常规关注位置也同步进行监测。传感器的布置位置如图1所示。车辆的测试工况设定为:摩托车静止空档,发动机转速为20 0 085 0 0r/m i n的匀加速过程,整车坐标系设定为+X(整车向前),+Y(整车左侧),+Z(竖直向上),其中振动传感器采集的是车辆X、Y、Z3个方向的振幅信号,针对车辆的地板位置,重点关注的是驾驶员最为敏感的Z方向的振动特性8。车辆地板布局设计基本上是左、右对称的,其振动特性在发动机激励下的变化规律也比较类似,因此仅对整车右侧地板的测试数据进行分析。图2所示为原车振幅曲线。从图2中可以看出,右前地板位置在20 0 050 0 0r/m i n转速区间振动控制较好,振幅变化较为平滑,但在高转速段62 0 0r/m i n附近,存在显著的共振特征,振幅放大明显,对应的一阶频率为1 0 4H z。右后地板位置在60 0 0r/m i n有较为 明 显 的 共 振 特 征,振 幅 急 剧 增 大,增 幅 达4 0%,对应的一阶频率为1 0 0H z,且右后地板的振幅大于右前地板的振幅。手把位置的振幅随发动机图1 传感器布置位置g为重力加速度图2 原车振幅曲线转速的升高而线性增加,无明显共振特征。坐垫位置在整个发动机常用的转速范围内其振幅变化不大,并维持在较低的振动水平。1.2 模态分析理论基础对机械构件而言,模态分析本质上是将其简化为一多自由度模型。对某一线性系统,其动力学微分方程9-1 1可表示为M x+C xK x=f(t)(1)式中:M、C、K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;x、x、x分别为系统各点的加速度响应、速度响应、位移响应;f(t)为激振力。模态分析法的本质是根据结构的特征方程组,求解其振动固有属性。对于无阻尼系统,令C=0,f(t)=0,则式(1)变化为M x+K x=0(2)特征方程为|K2-2M|=0(3)求解式(3)可得n个不相等的特征方程根:21,22,2n,其算术平方根即为系统的固有频率n i,求解式(2)每 个 特 征 根 对 应 的 特 征 向 量X为 主振型1 2。1.3 有限元建模和模态计算图3所示为客运三轮摩托车的车架几何模型。该车架模型由转向立管、支撑梁、左右侧纵梁、横梁等不同截面的等壁厚管材焊接而成。为缩短开发周期和成本,提高仿真计算的效率,对车架进行有限元建模时,在保证能够准确反映车架实际结构的前提下,对整车三维模型结构进行必要的简化,只保留车架的主体结构,去除不必要的构件1 3-1 4。将摩托车车架的几何模型导入有限元前处理软件H y-p e rM e s h,基于H y p e rM e s h对车架开展几何处理与简化工作,忽略车架上油箱悬挂支承、加强板等671 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 边缘处的冲压。对等壁厚构件抽取中面,并采用S h e l l单元模拟;对非规则的构件如转向立管等构件,采用S o l i d单元模拟;不考虑焊缝的影响,采用刚性单元R B E 2将简化后车架的所有部件连接成完整的车架模型,然后创建材料的属性参数并进行关联1 5-1 6。车架材料采用Q 2 3 5优质钢,其属性参数为:弹性模量E=2.0 51 05MP a,泊松比=0.3,密度=7.8 51 03k g/m3。采用兰索士法提取车架的低阶非刚体模态,对车架的边界条件设置为自由模态分析,不考虑任何的作用力和约束1 7。表1所示为原车车架前5阶固有频率计算结果。图3 原车车架几何模型表1 车架前5阶弯曲模态频率阶次12345频率/H z5 01 0 22 3 52 4 33 0 0 原车辆地板结构及各梁编号如图4所示,具体包括横梁1、横梁2、横梁3、纵梁4、纵梁5、底板。同理,对地板进行有限元建模和模态分析,原地板的模态分析结果如图5所示,地板中、后部在1 0 2H z频段附近存在密集具有局部鼓包形态的模态振型特征。1.4 振动特性分析和原因诊断根据图2的测试数据分析可知,前、后地板位置在发动机转速60 0 0r/m i n附近存在明显的共振特征,振幅急剧放大,对应的一阶频率为1 0 0H z。结合表1车架的模态分析结果可知,该车架在1 0 2H z存在的第2阶弯曲模态,相应的发动机转速为61 2 0r/m i n,其振型表现为车架整体弯曲,车架中部和尾部竖直上下剧烈振动,是最大位移发生的部位,且竖直方向也是人体对地板振动舒适性最为敏感的方向。根据客运三轮车的结构设计,其地板是安置在车架上方的,通过对地板进行仿真分析发现,地板在上述频段范围内存在若干密集的具有局部鼓包形态的模态振型特征,而这些振型的模态频率与车图4 原地板结构及各梁编号图5 原地板模态分析结果(1 0 2H z)架弯曲模态频率1 0 2H z较为接近,与车架发生共振,进而导致前、后地板出现振动剧烈的现象。驾驶员的乘坐感受、地板的试验测试结果和模态分析结果,三者对车辆地板振动异常的转速频段范围和振动特性描述一致,所建立的有限元模型能够很好地反映车架的振动特性,有限元模型简化合理,计算结果可靠,可利用它进行车架结构优化方面的理论计算。2 地板结构优化方案2.1 优化设计方案在原理样车阶段,对车架结构进行大范围的调整和修改,无论是经济成本还是时间成本均较高,不利于车辆的生产与应用,而且很容易引起新的车架振动问题,故而选择的应对方向是对地板的模态进行控制,以消除地板的剧烈振动。地板的局部鼓包模态与地板的固有频率、刚度等均密切相关,故而以此作为切入点,着手解决地板的振动剧烈问题。当锁定地板的结构布局后,地板的模态主要是由地板的刚度决定;当锁定地板的材料和规格后,则地板的刚度主要是由其厚度决定1 8。同时结合图5原地板模态阵型变化的趋势可以判定,地板横梁1和横梁2之间的区域,横梁2和横梁3之间的区域是产生局部鼓包模态的关键部位,考虑加强上述区域的刚度。综合考虑生产成本控制和工程生产实践要求,对地板采取如下的优化设计方案,详情方案实施如771 雷 鹏等:客运三轮车地板振动舒适性分析与结构优化 图6所示,具体为:增加地板的厚度,即将地板的厚度由原来的1.5mm增加至2.5mm;在地板横梁1和横梁2之间焊接纵梁6,在横梁2和横梁3之间分别焊接纵梁7、横梁8,使各横梁之间的整体布局分别构成3个“矩形”结构,充分保证与地板局部鼓包模态密切相关区域的刚度得到加强,从而抑制地板鼓包模态在发动机激励下发生剧烈振动。图6 优化方案改制车辆地板2.2 优化设计后地板模态计算图7所示是优化后地板的模态分析结果。从图7中可以看出,地板的模态频率由1 0 2H z提高到1 1 7H z,固有频率提高了1 5%左右,从而避免与车架的弯曲频率相耦合而发生共振。同时,与地板局部鼓包模态密切相关区域的刚度得到加强,其模态频率密度和响应量均有明显降低,地板的剧烈变形被显著抑制。图7 优化方案地板模态分析结果(1 1 7H z)3 试验验证为了验证优化设计对车辆地板振动的改善效果,按照优化方案改制车辆地板,保证在测试工况相同的前提下,对优化方案样车再次进行振动测试,并将改进前、后的振幅曲线进行对比分析。图8所示是原车与优化方案样车的振动对比振幅曲线。从图8(a)、图8(b)中可以看出,改进设计对车辆地板的振动抑制效果非常显著,右前地板的g为重力加速度图8 原车与优化方案车4个位置振幅曲线对比871 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 振幅由1.7g(g为重力加速度)下降到0.7g,下降幅度为5 8%,右后地板的振幅由2.7g下降到1g,下降幅度为6 2%,前、后地板在60 0 0r/m i n无明显共振特征出现,优化方案样车在常用转速段振动线性度控制较好,振幅变化平稳,振动改善效果明显。从图8(c)中可以看出,实施地板优化方案后,手把测点的振幅曲线变化趋势与原车相似,均随发动机转速的升高而线性增加,无明显共振特征,在高转速段,其振幅还有不同程度的下降。从图8(d)中可以看出,实施地板优化方案后,坐垫测点的振幅曲线变化趋势与原车相似,均维持在较低的振动水平,最大振幅均不超过0.2 5g,且在整个发动机常用的转速范围内,其振幅均有不同程度的下降。评价人员的乘坐感受是优化方案样车的地板振动减轻,脚感发麻现象被消除,振动舒适性优于原车。4 结论1)车辆地板在1 0 0H z频段附近存在密集局部鼓包模态,这些振型的模态频率与车架弯曲模态频率1 0 2H z相耦合,发生共振,进而引起车辆地板的振动舒适性问题。2)增加地板的厚度,提高地板的模态固有频率,避免与车架发生共振;有针对性地加强与地板局部鼓包模态密切相关区域的刚度,抑制地板的局部鼓包模态,进而有效地抑制地板的剧烈振动。3)经优化设计后,车辆地板在高转速段的共振特征被消除,振幅下降达5 0%6 0%,车辆地板的振动水平得到显著改善。参考文献1 吉祥,许杨,曾国建.高可靠智能型两/三轮车换电式动力锂电池管理系统设计J.电子制作,2 0 2 3(3):9 1-9 4.2 林俊发.踏板摩托车振动分析与改进J.中国新技术新产品,2 0 2 2(1 1):8 7-8 9.3 赵向阳,袁霞,王世超,等.客车NVH特性的车身地板优化设计J.机械设计与制造,2 0 1 6(1):2 6 9-2 7 2.4 周立群.基于O T P A方法的客室地板振动传递路径分析及控制D.成都:西南交通大学,2 0 1 8.5 黄泽好,童勇,杨峻懿,等.基于混合传递路径的摩托车手把振动研究J.重庆理工大学学报(自然科学版),2 0 2 2(4):4 3-4 9.6 李召鹏,王丽梅,田率.车辆地板异常振动的原因分析与改进J.农业装备与车辆工程,2 0 1 7,5 5(2):8 5-8 8.7 王长新,史文库,陈志勇,等.某轻型客车地板振动发麻的试验及控制J.振动、测试与诊断,2 0 1 5,3 5(6):1 0 4 9-1 0 5 4.8 黄国鹏,贾志超,雷鹏,等.摩托车车架振动控制与优化J.装备制造技术,2 0 1 9(1 0):2 1 9-2 2 1.9 雷鹏,黄国鹏,王兵,等.摩托车保险杆振动分析与优化设计J.科技和产业,2 0 2 3,2 3(1):2 0 2-2 0 6.1 0 赖坤城,赵津,刘东杰,等.某轿车车身关键连接点动刚度分析及优化设计J.科学技术与工程,2 0 1 9,1 2(3 6):3 3 7-3 4 1.1 1 游永忠.某轻型载货车储气罐支架振动断裂分析与优化J.机械设计与研究,2 0 2 0,3 6(1):1 9 0-1 9 5.1 2 姜磊,李美求,华剑,等.压裂泵高压排出管汇的振动特性分析及测试J.科学技术与工程,2 0 1 9,1 9(2 2):1 4 3-1 4 8.1 3 周松,高翔,张志,等.基于相对灵敏度的重型自卸车结构轻量 化 设 计 J.科 学 技 术 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a s o n f o r t h e s e v e r ev i b r a t i o no f t h e f l o o r.T h em a i nr e a s o nw a s t h ee x i s t e n c eo fad e n s e l o c a l b u l g em o d en e a r t h e 1 0 0H z f r e q u e n c yb a n do f t h e f l o o r,w h i c hw a s c o u p l e d t o t h eb e n d i n gm o d e f r e q u e n c yo f t h e f r a m e a t 1 0 2H za n dc a u s e dr e s o n a n c e.I nr e s p o n s e t ot h i sp r o b l e m,a no p t i m i z a t i o ns c h e m e i sa d o p t e dt o i n c r e a s e t h e t h i c k n e s so f t h e f l o o r a n ds t r e n g t h e nt h es t i f f n e s so f l o c a l a r e a so f t h e f l o o r,c h a n g e t h e i n h e r e n tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e f l o o r,a n dc o n d u c t c o m p a r a t i v ea n a l y s i su s i n gv i b r a t i o nt e s t i n g t e s t s t ov e r i f y t h e s c i e n t i f i cn a t u r eo f t h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e.T h e t e s t r e s u l t s s h o wt h a t a f t e ro p t i m i z a t i o n,t h e s e v e r ev i b r a t i o no f t h ev e h i c l ef l o o r i se f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d,a n d t h e f l o o r a m p l i t u d e d e c r e a s e s b y5 0%t o 6 0%.T h e o p t i m i z a t i o ns c h e m e e f f e c t i v e l y c o n t r o l s t h e s e v e r ev i b r a t i o no f t h ev e h i c l e f l o o r,a n dh a sa l o wc o s t a n d i se a s yt o i m p l e m e n t.T h e r e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d ean e wv e h i c l e f l o o rd e s i g ns c h e m ea n dp r o v i d ee n g i n e e r i n gd e c i s i o n-m a k i n gb a s i s f o rv i b r a t i o nc o n t r o l a n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no fv e h i c l e f l o o r s.K e y w o r d s:p a s s e n g e r t r i c y c l e;f l o o r;v i b r a t i o nc o n t r o l;o p t i m a l d e s i g n971 雷 鹏等:客运三轮车地板振动舒适性分析与结构优化