四自由度汽車振動影響分析

1、精品四目由度汽車振動影響分析汽車振動問題分析汽車振動的分析研究是為了提高汽車平順性，汽車平順性是指汽車過程中能保證乘員不致因車身振動而引起不舒適和疲乏感覺，以及保持運載貨物完整無損的性能。汽車平順性是影響汽車乘坐舒適性的重要原因，而平順性的主要就是依靠汽車減振來保證，汽車振動日益成為汽車研發(fā)和性能提高的關(guān)鍵所在。在了解了汽車振動的危害之后，就需要人們研究振動問題， 掌握振動機(jī)理，消除振動帶來的不利影響，利用振動規(guī)律指導(dǎo)汽車的研發(fā)。汽車振動所要研究的問題主要有路面等級對汽車振動影響、車速對汽車振動影響、懸架參數(shù)對汽車振動影響。汽車四自由度系統(tǒng)建模圖2.1四自由度汽車模型考慮汽車縱向角振動時懸架對

2、車身激振影響就必須至少將汽車振動系統(tǒng)簡化為如圖所示的一個四自由度平面振動模型。在這個振動模型中，要求車輛相對于縱垂面完全對稱，并且左右車輪下的路面不平度完全一樣， 則認(rèn)為車輛是在縱 垂面上振動。把車身簡化為質(zhì)量為m ,繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為覺得平面剛體；把前后車軸（包括輪胎）的質(zhì)量簡化為二個質(zhì)量點 ml , m2 ；前后懸架剛度為左右兩 側(cè)剛度之和用k1 ,k2表示，而前后懸架減震器的阻尼系數(shù)為左右兩側(cè)之和用cl ,c2表示：kt1和kt2為輪胎剛度，ct1 , ct2為輪胎阻尼，它們也為兩側(cè)之和。(2. 1)為了研究懸架與車身連接點處懸架振動對車身的激勵， 必須首先列出整個振 系的振動微分方程組

3、。為此根據(jù)分析動力學(xué)中的粘滯阻尼力的拉格朗日方程：d T T URdt.Z.ZZZ式中：T振動系統(tǒng)的總動能；U振動系統(tǒng)的總位能；R振動系統(tǒng)的總耗散函數(shù);對四自由度平面振動模型其總動能為:T lmz221J 2-mil1. 2-m2 z22(2.2)- 可編輯 -總位能為:1U -ki(zZi)12 k2(zb Z2)21 kti (ziqi)22 kt2(Z2q2)2(2.3)總耗散能為:i .R 2G(Zz)22 c2(Z21,、/一，、b z) -cti (zi qi)2Ct2(z2 q2)(2.4)(2. 5)將三式代入拉格朗日方程求出系統(tǒng)振動的微分方程組整理成矩形式為：M Z C Z

4、KZ KtQ CtQ其中：m 0 000 J 00M0 0日00 0 0 m2kik2k1a k2bkik2k1a k2b k1a2 k2b2 k1ak2bk1ak2bk1 kt100k2kt2精品- 可編輯 -c1 c2c1ac2bc1c2c1a c2b22c1ac2bc1ac2bc1c1 ac1c20c2 c2b 0kt00kt10000kt2ctc1ct10c2z1z2q10q2式中的 M 、 C 、K 分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，z1z1z2q1q2kt 、 ct 分別為輪胎的剛度矩陣和阻尼矩陣。對式 (2. 5) 兩邊取拉普拉斯變換：L M Z CZ KZL ktQ c

5、t Q2Ms2 Cs K Z(s)ktCts(2. 6)得到傳遞函數(shù)為：G(s)Ms2 Cs Kktct s(2.7)jw 代替上式中的 s 算子就可得到振動系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣：2H (jw) K Mw2 jwC1kt jwct(2. 8)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣H ( jw)由頻響函數(shù)矩陣組成:HHH (jw) HH11213141HHHH12223242其中 H11(w) 是車身垂直振動對前輪激勵的頻率響應(yīng)函數(shù)，H12 (w) 是車身垂直振動對后輪激勵的頻響函數(shù)；H21(w)、H 22(w)分別為車身俯仰振動對前后輪精品激勵的頻響函數(shù)；H31（W）、H32（W）分別為前軸振動對前后輪激勵響應(yīng)；

6、H41（W）、H42（W）分別為后軸振動對前后輪激勵的響應(yīng)在自由度比較多的情況下各頻響函 數(shù)的表達(dá)式十分復(fù)雜，但利用現(xiàn)代的計算技術(shù)進(jìn)行計算卻十分方便。圖2.2空間整車模型由于左右車輪對汽車的真實激勵并不完全相同，而是具有一定的相關(guān)性，使 得汽車產(chǎn)生了側(cè)傾振動。因此，空間整車模型的基本特征是，同時考慮了汽車車 身的垂直、俯仰和側(cè)傾運動，更能全面描述汽車的整體振動特性。國外學(xué)者也用 空間整車力學(xué)模型進(jìn)行過汽車平順性和操縱穩(wěn)定性研究。- 可編輯 -三、基于ANSYS軟件汽車振動分析3.1 ANSYS 中建立汽車模型模型中需要有三個單元類型，車架選擇為梁單元 Beam3 ;懸架和輪胎為彈 簧阻尼單元C

7、ombination14,并設(shè)置其為二維單元即設(shè)置其 option參數(shù)K3為 2-D longitudinal ；車身集中質(zhì)量和前后輪胎質(zhì)量為 Mass21單元，并設(shè)置其為 二維質(zhì)量單元，即設(shè)置其option參數(shù)K3為2-D w rot inert 。模型所需要的各 參數(shù)如下：車身質(zhì)量(m)12253kg前輪質(zhì)量(m1)750kg后輪質(zhì)量(m2)1100kg轉(zhuǎn)動慣量(J)8800kg ?m2車身質(zhì)心至前輪跑離(a)3.6m車身質(zhì)心至后輪距離(b)2.1m前懸(l f)1.1m后懸(le)1.6m前懸架剛度系數(shù)(k1)631.2kN/m前懸架阻尼系數(shù)(G)12kN?s/m后懸架剛度系數(shù)(k2)1

8、814.6kN/m后懸架阻尼系數(shù)(c2)20kN?s/m前輪胎剛度系數(shù)(kt1)2440kN / m前輪胎阻尼系數(shù)(ct1)0kN ?s/m后輪胎剛度系數(shù)(kt2)4880kN/m后輪胎阻尼系數(shù)（ct2）0kN ?s/m表3.1 CA1141四自由度模型參數(shù)定義材料參數(shù)：單元材料所要定義的參數(shù)有彈性模量，泊松比，和密度。此 模中主要征對的就是梁單元的材料參數(shù)，模型所假設(shè)的為無質(zhì)量輕質(zhì)梁，故密（DENS）為0;彈性模量（EX）為2e11 ,泊松比（PRXY）為0.3。此模型采用先創(chuàng)建節(jié)點，再依據(jù)節(jié)點生成各單元。圖3.1 ansys中的四自由度汽車模型3.2 振動模態(tài)和功率譜密度分析振動模態(tài)是彈性

9、結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu) 物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。在此模態(tài)分析是后面要進(jìn)行的PSD（功率譜密度）分析的基礎(chǔ)。ANSYS模態(tài)分析主要有添加邊界條件、定義分析類型、模態(tài)求解三個步驟。ANSYS模態(tài)分析得到的各階固有頻率如表所示：表3.2模態(tài)分析各階固有頻率階數(shù)一階二階三階四階頻率（f）1.88725.646810.48812.80857XI>L n啦 ne-L- mOl» |EK|MTM ua bJUmeh

10、 MeeANSI'S加 LIMl 5和KUL SXUTMITEM Hl E FMXM rm. iwi iro-C"n -.£4MMMISYSm】國口 £4：紀(jì)二注Q.KQB14.XRC3&.X044Z.Mim.W3».WQ11-.葡.tUilS5MRS.1) Ki 1.91.MDtlj9»i ursm ,¥ww4涮*一階振型圖二階振型圖杷皿 sanrzzflm >3JlE上!l酊恥白 Q加的SL5T3G *>.ElM1flANSY4E lit &U M#UlEHHCZ11 >illllL3!i

11、2-<K««4EK rre mi 鵬I映小M i；E7T<ANSSJH L> Hat16陽Jk -工計料,：<0«MM鋁由口即.llflll.WHAM.mm.MGJH樹 EB.R11IE3.KMT?.KMfiT/MM制,32*，9四階振型圖三階振型圖圖3.2模態(tài)分析各階振型圖譜分析是一種將模態(tài)分析結(jié)果和已知譜聯(lián)系起來的計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析方 法，主要用于確定結(jié)構(gòu)對隨機(jī)載荷或隨時間變化載荷的動力響應(yīng)。在模態(tài)分析完成的基礎(chǔ)上，ANSYS譜分析有定義分析類型、模型輸入、模 型求解、三個步驟。3.3 模態(tài)合并譜分析中的模態(tài)合并是因為激勵譜其實是由一系

12、列的激勵組合成的一個譜， 里面的頻率不會是只有一個，而不同的激勵頻率對于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)果是不一樣的， 對于結(jié)果的貢獻(xiàn)也是不一樣的，所以要選擇模態(tài)組合法對模態(tài)進(jìn)行組合，得到最終的響應(yīng)結(jié)果。1e4， 3- d- ，lx1- 工o cl1E 工圖3.23 A級路面車速30km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖3.24 A級路面車速30km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz ）模態(tài)合并后，在ansys的post26后處理器中可以查看譜分析得到響應(yīng)結(jié)果 的譜值，并且以圖表曲線的形式呈現(xiàn)。如下示例：四、結(jié)果分析4.1 路面等級對振動的影響分析路面等級對汽車振動的影響，采用控制變量法，保持車速

13、一定，分別用ansys分析得到汽車在A、B、C級路面上的加速度響應(yīng)譜的曲線，通過曲線對比分析得出結(jié)論。這里以車速 40km/h為例。R5工工專3/UM jmr u aoia uioa i”.1寸.3 2-. L-巨小04L.2.盅（1231 4圖4.1 A級路面車速40km/h時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)AN Jtnt LZ ZU13圖4.2 A級路面車速40km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）ANJIN 12112S-.112 &I n ri-< nCM右含37上身12 5-ALA0412IENCI2S34f ：Hz)圖4.3 B級路面車速40km/h 時的車

14、身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖4.4 B級路面車速40km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）£ n1=>圖4.5 C級路面車速40km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖4.6 C級路面車速40km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）由圖4.1-圖4.6可以得出結(jié)論：圖4.1-圖4.6中曲線的變化趨勢沒有變化，都在一階振動（車身垂直振動） 處振動強(qiáng)度非常大，三階振動（前輪垂直振動）和四階振動（后輪垂直振動）比 一階振動強(qiáng)度小，二階振動（車身俯仰振動）的強(qiáng)度最小。但是從圖4.1-圖4.6中可以看出，各階振動的強(qiáng)度隨著路面等級由A到C依次變大。即路面等級的變

15、化只影響多軸汽車的振動強(qiáng)度，對多軸汽車的振動特性的變化趨勢沒有影響， 且路面越平坦振動強(qiáng)度越小。4.2 車速對振動的影響分析車速對汽車振動的影響，采用單一變量法，保持路面情況一定，分別用 ansys分析得到汽車車速為 30km/h、40km/h、50km/h 的加速度響應(yīng)譜的曲 線，通過曲線對比分析得出結(jié)論。這里以B級為例。（其他A、C級路面見附件）PO3T24JANjott is 3P13_ 2 1 : 1J i 4 &自4T4 0-U3才.J4-1aF白-14B1 Saa2交由IS4 0圖4.7 B級路面車速30km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖4.8 B級路面車速30km/

16、h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）圖4.9 B級路面車速40km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)1rnN 12 aci?ct'mfe-eia:圖4.10 B級路面車速40km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）FOSTJ63八rxiJim 1Z 2C13；IEE Of (HfiFZB3 "WWW圖4.11 B級路面車速50km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)AN工IM 12 2 313± 24： Z4圖4.12 B級路面車速50km/h 時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz ）由圖4.7-圖4.412分析可得出結(jié)論：圖4.7-圖

17、4.12中曲線的變化趨勢沒有變化，都是在一階三階四階振動處強(qiáng) 度較大，在二階振動處強(qiáng)度較小。且隨著車速的增加各階振動的強(qiáng)度逐漸增大，但是與路面等級的影響相比可 知，其影響性要小于路面等級對振動的影響。4.3 懸架參數(shù)對振動的影響分析懸架參數(shù)對汽車振動的影響，采用單一變量法，保持路面情況和車速一 定（B級路面車速為40km/h ）,且這里以前懸架為例，首先保持阻尼不變，分 別將懸架剛度增加25%和減少25%得到響應(yīng)曲線分析懸架剛度對振動的影響； 再保持剛度不變將阻尼增加25%和減少25%得到相應(yīng)曲線分析懸架阻尼對振動 的影響。3ANJVN 1Z 2D1381&-r，口 ZSO-4 3 -

18、m 口 學(xué)門!fl41Z£ aZC 37 *Z 3-93ae圖4.13 B級路面車速40km/h后懸架剛度減少25%時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)ANJUH 12 2013金i 士白占士總占圖4.14 B級路面車速40km/h 后懸架剛度減少25%時的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz ）ANJUU 12 2013圖4.15 B級路面車速40km/h后懸架剛度增加25%時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖4.16 B級路面車速40km/h 后懸架剛度增加25%時的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz )圖4.17 B級路面車速40km/h后懸架阻尼減少25%時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖4.18 B級路面車速40km/h 后懸架阻尼減少25%時的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz )F05T2634噌£ANjto 12 工mi22:19!0»712 5 J1 Afi JJNC G3 7 4 -3當(dāng)一11 t Jfjb,aa ,a41Gf(fSC3240圖4.19 B級路面車速40km/h后懸架阻尼增加 25%時的車身質(zhì)點加速度功率譜響應(yīng)圖4.20 B級路面車速40km/h 后懸架阻尼增加25%時的加速度功率譜