某重型牵引车挡泥板怠速抖动改善

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2023.05.013 收稿日期：2023-07-23某重型牵引车挡泥板怠速抖动改善
夏毓芳，杨少刚，曹源，刘宗晟，董力铭
（东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056）
摘 要：针对某重型牵引车怠速挡泥板抖动问题，首先进行怠速振动测试和模态试验识别振动原因，然后通过有限元的模态和频响分析对结构振动问题进行解析，为拓扑优化提供
改善方向。

经过实车验证，优化方案效果明显。

同时提出RSS值评价法，让主观评价维度更
加全面，更好反应主客观关联性。

关键词：挡泥板；怠速抖动；RSS
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2023）05-0075-06
Improvement on Idle Vibration of Heavy-duty Commerical
Vehicle Fender
XIA Yu-fang, YANG Shao-gang, CAO Yuan, LIU Zong-sheng, DONG Li-ming
( Dongfeng Commercial Vehicle T echnical Center, Wuhan 430056, China ) Abstract: Aiming at the vibration problem of the fender of a heavy tractor at idle speed, the causes of vibration are identified by idle vibration test and modal test, and
then the structural vibration problem is analyzed by finite element modal and frequency
response analysis, which provides an improvement direction for the topology optimization
of the fender structure. After real vehicle verification, the optimization scheme has obvious
effect. At the same time, the RSS value analysis method of objective data is proposed, which
enhances the consistency of subjective and objective evaluation.
Key Words: Idle Vibration; Fender; RSS
引 言
随着商用车市场竞争日趋激烈，用户对车辆的舒适性要求越来越高。

怠速振动特性投入大量人力物力，以驾驶室室内振动为主的特性目标项，还包括了底盘附件和车身外挂附件，振动性能提升明显。

某重型牵引车在开发过程，出现怠速550rpm前轮右侧挡泥板目视可见抖动，舒适性主观评价不能接受，影响产品性能。

通过试验和仿真相结合的方式，改善了挡泥板抖动问题，提升产品质量，为客户提供可靠的产品。

1 挡泥板怠速抖动原因分析
为了客观评价该挡泥板抖动情况，针对怠速工况下对挡泥板进行了振动加速度怠速振动测试，传感器传感器按整车坐标系布置在挡泥板本体上端、挡泥板本体下端、挡泥板支架端部和车架连接处，如图1所示。

试验测得挡泥板的振动频谱数据如图2所示，怠速工况下影响挡泥板抖动的
主要频率为28Hz左右。

图1 传感器布置图
、
图2 挡泥板怠速振动频谱图
由表1中的数据可以看出，该车型怠速工况下挡泥板本体X向和Y向的加速度值均较大，远远超过挡泥板支架和车架连接点处振动水平，超过1g。

表1 挡泥板振动加速度值（m/s 2）
X
Y Z 挡泥板本体上端两侧7.38 1.4 1.26挡泥板本体下端两侧11.78.64 1.87挡泥板支架端部
1.080.371车架端
0.08
0.44
0.81
为找出怠速工况下挡泥板振动的原因，使用锤击法对挡泥板进行了模态测试。

试验测得的挡泥板存在模态频率为26.2Hz整体X向一阶弯曲振型和28.9Hz挡泥板右下端角X向一阶弯曲振型，振型分别如图3和图4所示。

挡泥板的这两阶模态频率与怠速振动测试的主频27.5接近。

图3 挡泥板26.2Hz模态振型图
图4 挡泥板28.9Hz模态振型图
此牵引车型为四冲程直列六缸发动机，主要激励来自于发动机三阶点火激励。

发动机怠速工况下1阶振动频率计算公式如下：
（1） 其中：f为发动机点火激励频率，n为发动机转速，c为发动机缸数，d为冲程数。

3阶激振频率为3×f 1，由于怠速转速为550RPM，故发动机激励频率为27.5Hz。

该车型怠速时挡泥板抖动主要是由于挡泥板固有频率（26.2 Hz、28.9Hz）和发动机3阶激励频率（27.5Hz）耦合，发生了共振。

2 仿真模型建立与对标
2.1 挡泥板总成有限元模型建立
建立挡泥板总成在整车下的有限元模型，模型包括挡泥板本体、挡泥板本体、挡泥板支架和车架模型，如图5。

模型的主要材料参数如表2所示：
表2 挡泥板总成材料参数
零件名称材料名称密度t/mm 3弹性模量/MPa 泊松比挡泥板支架AL 2.76 E-09700000.3挡泥板本体PP+长玻纤材料 1.1E-917000.39防飞溅结构
PE
4.6E-10
3
0.45
图5 挡泥板总成有限元模型
f 1=2×n×c
60×d
2.2 模态分析及对标
挡泥板总成安装在光车架上进行整车状态下的模态分析，如图6。

车架板簧全约束，计算提取0-40Hz内的约束模态。

图6 挡泥板分析模型
挡泥板模态仿真和试验对比结果，如表3。

试验和仿真的各阶模态频率和振型基本吻合，相对误差保持在5%以内，确保了所建有限元模型的可靠性和准确性，为下一步模型优化提供支持，模态振型如图7所示：
一阶模态振型
二阶模态振型三阶模态振型四阶模态振型五阶模态振型六阶模态振型
图7 挡泥板模态振型图
试验仿真
误差范围阶次频率振型描述频率/Hz
111.7整体Y向转动、挡泥板上端X向一弯12.13% 217.3挡泥板X向二阶弯曲17.30% 323.7挡泥板上端X向一阶弯曲22.65% 426.2整体X向一阶弯曲25.24% 528.9挡泥板右下端角X向一阶弯曲28.42% 637.5整体X向二阶弯曲36.72%
表3 挡泥板模态试验和仿真分析结果
3 挡泥板结构改善
3.1 挡泥板结构频响分析
对挡泥板进行频响分析，研究其动态特性。

在怠速工况下车架端以Y向和Z向振动为主，因此在挡泥板安装支架车架端连接点的Y向和Z向分别施加单位力激励，响应点为挡泥板关注位置10个点，如图8。

由于输入激励为单位激励，因此该频率响应分析也可以叫传递函数分析，主要考察挡泥板在关注点的振动特性，为挡泥板优化方案提供依据。

图8中频响分析结果显示原方案挡泥板响应点的曲线存在28Hz峰值，与发动机怠速27.5Hz激励频率有耦合风险，需要改进28Hz响应峰值。

通过对该峰值点进行模态贡献量分析，确定该频率点的响应主要是第4阶和第5阶模态所决定，也就是前面模态分析中找出的两个会引起共振的模态频率。

分析第4阶和第5阶模态振型，以挡泥板塑料板变形为主。

分析频响结果，发现所有响应点的X 向幅值明显大于Y向和Z向。

3.2 挡泥板改善方案
运用拓扑优化，优化挡泥板第4阶和第5阶模态，使这两阶模态避开发动机怠速激励频率4Hz，得到最优的加强筋分布。

优化步骤：
（1）定义响应：挡泥板第5阶模态；挡泥板频响分析响应点的频响。

（2）定义设计约束：挡泥板第5阶模态下限
为32Hz。

（3）定义设计目标：挡泥板频响分析响应点的最大频响最小化。

图9 挡泥板拓扑优化结果
优化结果如上图9所示，拓扑优化结果为设计提供了改善方向，改善方案主要包括采用挡泥板本体和防飞溅一体化结构、增加支架、加厚板厚和加强筋等，如图10所示：
图10 挡泥板改善方案结构图
3.3 改善方案仿真分析
对改善方案的设计模型进行模态和频响分析。

模态分析结果表明改善方案满足避开怠速发
动机激励频率4Hz目标要求，如表4所示。

图8 挡泥板频响分析的响应点及响应曲线
表4 挡泥板模态试验和仿真分析结果阶次原方案改善方案
112.114.4
217.317.8
322.619.5
425.223.5
528.433.4
636.7-
频响分析对比结果，改善方案在28Hz响应峰值基本消除，如图11所示：
图11 挡泥板改善前后的频响曲线
4 试验验证
4.1 主观评价
对右前挡泥板改善前后的怠速振动进行了主观对比试验。

3名试验员通过观察、触摸考察挡泥板总成改善前后振动水平完成主观打分。

改善方案振感小，主观评价6.5分，较原方案5.5分改善明显，有效的解决了挡泥板怠速抖动问题，如表5。

图12 挡泥板改善方案主观评价
表5 挡泥板改善方案主观评价结果
方案评价描述评分
原车下端目视轻微重影 5.5
改善方案振感很小 6.5
4.2 客观测试
对挡泥板本体上端、挡泥板本体下端、挡泥板支架和车架端进行怠速振动测试，获得测点的3向振动加速度RMS值，但同一个测点在不同方向的改善效果不同，如图13所示：
图13 挡泥板测点振动加速度RMS值
为了让主观评价维度更加全面，更好反应主客观关联性，采用RSS值评价。

RSS是将测点不同方向的振动值进行均方根，得到一个振动综合值，通过该值来评价总体振动水平。

使用RSS值评价法，挡泥板下端原方案为14.58m/s2，改善方案降低至9.8m/s2，与主观评价结果一致，如图14所示。

挡泥板上端和下端振动加速度RSS值小于10m/s2，主观评价的目视可见抖动
问题不易出现。

图14 挡泥板测点RSS值
5 结论
1.通过模态和频响测试能够快速识别振动问题产生的原因，结合有限元的频响和模态贡献量分析方法，可以给设计提供有效的解决方案。

2.该案例采用RSS值评价，避免了客观测试在同一个测点的改善效果无法评价问题，让主观评价维度更加全面，更好反应主客观关联性。

3.通过实车主观验证及客观测试，挡泥板优化方案主观评价6.5分，客观测试评价点的振动幅值降低35%，主客观都满足振动改善要求。

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