輕型小客車車架的振動特性分析及控制

1、輕型小客車車架的振動特性分析及控制萬長東(蘇州市職業(yè)大學機電系,蘇州215104Analysis and control of vibration for some light bus s frameWAN Chang-dong(Department of Mechanical and Engineering ,Suzhou Vocational University ,Suzhou 215104,China 文章編號:1001-3997(201002-0059-02【摘要】汽車結構模態(tài)分析在工程振動中占有重要地位,利用有限元方法對車架進行模態(tài)分析,獲得車架模態(tài)參數(shù)-頻率、振型等,對存在的問題

2、提出一些改進措施,使得車架結構盡量避免產(chǎn)生共振和噪聲,增強了汽車穩(wěn)定性、舒適性和安全性,同時也為實際試驗提供了參考和依據(jù)。關鍵詞:車架;振動;模態(tài)分析【Abstract 】It is important for dynamic of vehicle with modal analysis in mechanical engineering ,modal analysis is applied to vehicle frame with the Finite Element Method ,modal parameter (frequency 、vi -bration characteristi

3、c for the response analysis is computed.According to these results ,some ameliorative advice will be put forward ,and the results are significant for vehicle frame to avoid vibration and noise ,stability ,comfortability ,.security will be strengthen for the automobile ,and the results can be supplie

4、d as reference for the practical test.Key words :Vehicle frame ;Vibration ;Modal analysis中圖分類號:TH16文獻標識碼:A*來稿日期:2009-04-121前言車架是發(fā)動機、底盤、車身及其它總成的安裝基礎和關鍵承載部件,車架的振動噪聲可損壞汽車部件,影響其使用壽命,增加環(huán)境噪聲,另外還會增加駕駛員的疲勞度等等不利因素。而模態(tài)分析振動系統(tǒng)特性的有效方法,通過對車架進行模態(tài)分析,可以求解出車架結構的固有頻率和固有振型等模態(tài)參數(shù),為振動系統(tǒng)動態(tài)設計及故障診斷和預報,以及結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。2理論基礎

5、基于有限元法和線性振動原理,具有N 個自由度的車體彈性系統(tǒng)運動方程,可用動載荷虛功原理推導,其矩陣方程為:M u 咬+C u 觶+K u =P(1式中:M 車架結構的總質量矩陣;C 車架結構總阻尼矩陣;K 車架結構總剛度矩陣;P 車架結構載荷矩陣;u 車架結構振型向量。由于要計算車架結構的固有特性,在模態(tài)提取過程中,取P 為零矩陣;同時假定車架結構阻尼較小,對結構的固有頻率和振型影響甚小,所以可得到結構的無阻尼振動方程:M u 咬+K u =P (2這是常系數(shù)線性齊次微分方程組,其解的形式為:u =u 0sin (t+準(3式中:振動固有頻率;準振動初相位。將公式(3代入公式(2中,可得廣義特

6、征值方程組:M u 0-2M u 0=0(4求解上述方程,可以確定N 個特征解(12,u 1、(22,u 2,(n 2,u n ,其中代表系統(tǒng)的N 個固有頻率,u 代表系統(tǒng)的N 個固有振型。求解特征方程式的解法很多,主要有Lanczos Method 、Givens Method 、House Holder Method 、Lnverse Power Method ,其中Lanczos Method 求解速度更快,精確度也較高,為很有效的求解方法。3車架有限元模型的建立車架有限元模型的建立應該保持原車的主要結構特征,同時需要在此基礎上進行忽略或簡化處理一些對車架影響微小的細部幾何特征,比如:工

7、藝孔可忽略不計,倒角和過渡圓角簡化成直角,略去對結構變形影響很小的部件等。車架幾何模型采用UG 建立,并轉化為STEP 格式,再導入Hypermesh 中得到。車架多數(shù)由薄壁鋼連接而成,因此采用4節(jié)點的CQUAD4殼單元來模擬,可以承受平面內載荷和法向載荷,具有大應變、大撓度、大轉動的線性特性和彈性、應力剛化等特性。網(wǎng)格劃分要避免畸形,如:三角單元不應出現(xiàn)過大鈍角,四邊形單元長寬比不能相差太大。網(wǎng)格應盡量密一些,但過密導致計算時間較長。車架單元網(wǎng)格采用10mm 的殼單元進行劃分,前后保險杠部分采用15mm 的殼單元劃分。同時還應該注意消除重復節(jié)點,避免部件之間相互分開,而不是連接在一起。橫梁與

8、縱梁之間采用焊接或鉚接。對于焊接,采用的是SpotWeld 單元,影響其精度的主要因素是焊點間的間距,為了保證計算精度,計算中焊點間距不超過10mm 。剛性連接主要采用rigids 單元,其創(chuàng)建依靠需要剛性連接的2個節(jié)點或1個節(jié)點對多個節(jié)點,相當于NASTRAN 的RBE2單元或ABAQUS 的MPCMachinery Design &Manufacture機械設計與制造第2期2010年2月59單元。車架材料特性參數(shù)按照實際參數(shù)選定,車架各部位的鋼板厚度按實際厚度,求解方法采用Lanczos Method,Lanczos Method求解速度更快,精確度也較高,為很有效的求解方法。最終

9、建立的有限元模型,如圖1所示。圖1車架有限元模型4車架的模態(tài)計算及結果分析如果按照實際邊界條件約束車架,其邊界由于比較復雜,可能會造成病態(tài)矩陣,影響計算精度;同時如果按照無邊界約束的自由模態(tài)進行分析,同樣可以計算得到相應的模態(tài)參數(shù),自由模態(tài)與約束模態(tài)基本一致,固有頻率比相應階數(shù)低些,振型以彎曲和扭轉為主。車架是一個彈性體,具有無限自由度,但沒有必要把所有的頻率振型求解出來,并且所需要的是在正常情況下的車架振型。因此只提取了前二十階的模態(tài)結果。經(jīng)過計算分析,得到了車架前20階固有頻率和振型。其中車架前六階振型頻率小于0.00323Hz,判斷應該屬于剛體模態(tài),它們分別對應于三個轉動和三個位移的運動

10、。所以去掉前六階模態(tài),以計算得到的第七階振型為實際的第一階振型,提取五階,如表1所示。由于結構的振動可以表達為各階固有振型的線性組合,其中低階振型對車架結構的動力性影響程度要比高階大,因此研究低階振型具有重要意義;如圖2所示,分別對應于車架前五階模態(tài)頻率的振型,它們的振型都是非常典型的。主要為扭轉振型、彎曲振型或彎扭組合振型。圖2前5階車架振型表1各階頻率及振型5計算結果驗證車架及提出控制措施車架模態(tài)計算結果的前五階頻率基本避開了路面激勵頻率,同時也低于通常轉速下的發(fā)動機頻率。但發(fā)動機工作激勵頻率范圍寬,而且隨著轉速的變化其頻率也會發(fā)生變動,因此也還有可能在其它轉速下會發(fā)生共振,值得說明的是:

11、即使發(fā)生了共振也應該屬于高頻振動,而高頻振動對車架結構的疲勞破壞影響有限。根據(jù)計算的結果,提出如下的改進措施:(1避免車架與發(fā)動機各種激勵下的頻率的耦合。避免此種耦合的方法,可采用提高車架低階振動頻率,也可將其它部件安裝在模態(tài)節(jié)點上,如圖3所示。圖3將部件安裝在車架的模態(tài)節(jié)點上由于汽車發(fā)動機工作轉速范圍很寬,要求在全部范圍內不出現(xiàn)共振是不太容易的。但是根據(jù)發(fā)動機的工作特點,其工作轉速范圍由低到高大致可分為幾個區(qū)段:啟動過程,怠速過程,加速過程,常用轉速過程。而怠速運轉區(qū)和常用運轉區(qū)屬于常用區(qū)段,應該得到重視。對于發(fā)動機激勵可分為怠速工況和通常行駛工況考慮,據(jù)文獻1方法按照4缸發(fā)動機計算,怠速時

12、通常車速500r/ min,此時其激勵頻率為16.7Hz左右,通常行駛車速時,發(fā)動機的轉數(shù)多數(shù)在(20003000r/min之間,該轉速下激勵頻率為(67 100Hz之間。(1避免懸架系統(tǒng)與車架的耦合。如:車架的第一階彎曲和扭轉頻率與輪胎和車軸的垂直振動頻率比較的接近;在前后軸的左右車輪同時被抬起時,車架處于彎曲狀態(tài),在前后軸的左右車輪相反方向抬起時,車架處于扭轉狀態(tài)。因此,懸架系統(tǒng)要盡可能的安裝在車架模態(tài)節(jié)點位置。(2避免與路面激勵耦合。對于路面激勵一般頻率在120Hz 左右;因此1階頻率有待于提高。(3加強結構強度。增加車架結合處材料厚度或填充高強度泡沫材料。6結論此車架能夠滿足動態(tài)特性的

13、基本條件,在前五階振動上基本已經(jīng)避免了與各行駛工況下的共振。同時采取結構上的一些加強和結構布置措施,使得車架結構的振動特性得到進一步改善。在產(chǎn)品開發(fā)初期,就必須考慮整車結構特征和各個系統(tǒng)的布置,使得振動最小,采用有限元方法對車架進行模態(tài)分析,不僅可以反映結構的動剛度特性,而且為結構的動力響應分析也奠定了基礎,車架固有頻率與振型的確定可以在后續(xù)設計中避開這些頻率或最大限度地減小對這些頻率上的激勵。為進一步研究振動、疲勞和噪聲等問題的分析奠定了基礎,同時也為實際試驗提供了參考和依據(jù)。參考文獻1汪隨風.某微型車車架結構的有限元分析及優(yōu)化設計D:碩士學位論文.重慶:重慶交通大學,2005,40482鄭兆昌.汽車車架的固有頻率和振型計算J.汽車技術,1982(4:41453龐劍等.汽車噪聲與振動M.北京:北京理工