輕型小客車車架的振動(dòng)特性分析及控制

1、輕型小客車車架的振動(dòng)特性分析及控制萬長東(蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)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(hào):1001-3997(201002-0059-02【摘要】汽車結(jié)構(gòu)模態(tài)分析在工程振動(dòng)中占有重要地位,利用有限元方法對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析,獲得車架模態(tài)參數(shù)-頻率、振型等,對(duì)存在的問題

2、提出一些改進(jìn)措施,使得車架結(jié)構(gòu)盡量避免產(chǎn)生共振和噪聲,增強(qiáng)了汽車穩(wěn)定性、舒適性和安全性,同時(shí)也為實(shí)際試驗(yàn)提供了參考和依據(jù)。關(guān)鍵詞:車架;振動(dòng);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(hào):TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A*來稿日期:2009-04-121前言車架是發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身及其它總成的安裝基礎(chǔ)和關(guān)鍵承載部件,車架的振動(dòng)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(huì)增加駕駛員的疲勞度等等不利因素。而模態(tài)分析振動(dòng)系統(tǒng)特性的有效方法,通過對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析,可以求解出車架結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型等模態(tài)參數(shù),為振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及故障診斷和預(yù)報(bào),以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2理論基礎(chǔ)

5、基于有限元法和線性振動(dòng)原理,具有N 個(gè)自由度的車體彈性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程,可用動(dòng)載荷虛功原理推導(dǎo),其矩陣方程為:M u 咬+C u 觶+K u =P(1式中:M 車架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量矩陣;C 車架結(jié)構(gòu)總阻尼矩陣;K 車架結(jié)構(gòu)總剛度矩陣;P 車架結(jié)構(gòu)載荷矩陣;u 車架結(jié)構(gòu)振型向量。由于要計(jì)算車架結(jié)構(gòu)的固有特性,在模態(tài)提取過程中,取P 為零矩陣;同時(shí)假定車架結(jié)構(gòu)阻尼較小,對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響甚小,所以可得到結(jié)構(gòu)的無阻尼振動(dòng)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(zhǔn)(3式中:振動(dòng)固有頻率;準(zhǔn)振動(dòng)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(gè)特征解(12,u 1、(22,u 2,(n 2,u n ,其中代表系統(tǒng)的N 個(gè)固有頻率,u 代表系統(tǒng)的N 個(gè)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(yīng)該保持原車的主要結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行忽略或簡化處理一些對(duì)車架影響微小的細(xì)部幾何特征,比如:工

7、藝孔可忽略不計(jì),倒角和過渡圓角簡化成直角,略去對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響很小的部件等。車架幾何模型采用UG 建立,并轉(zhuǎn)化為STEP 格式,再導(dǎo)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(diǎn)的CQUAD4殼單元來模擬,可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷,具有大應(yīng)變、大撓度、大轉(zhuǎn)動(dòng)的線性特性和彈性、應(yīng)力剛化等特性。網(wǎng)格劃分要避免畸形,如:三角單元不應(yīng)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(yīng)盡量密一些,但過密導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間較長。車架單元網(wǎng)格采用10mm 的殼單元進(jìn)行劃分,前后保險(xiǎn)杠部分采用15mm 的殼單元?jiǎng)澐帧Ｍ瑫r(shí)還應(yīng)該注意消除重復(fù)節(jié)點(diǎn),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(duì)于焊接,采用的是SpotWeld 單元,影響其精度的主要因素是焊點(diǎn)間的間距,為了保證計(jì)算精度,計(jì)算中焊點(diǎn)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?jiǎng)傂赃B接的2個(gè)節(jié)點(diǎn)或1個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn),相當(dāng)于NASTRAN 的RBE2單元或ABAQUS 的MPCMachinery Design &Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)際參數(shù)選定,車架各部位的鋼板厚度按實(shí)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。最終建立的有

9、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(jì)算及結(jié)果分析如果按照實(shí)際邊界條件約束車架,其邊界由于比較復(fù)雜,可能會(huì)造成病態(tài)矩陣,影響計(jì)算精度;同時(shí)如果按照無邊界約束的自由模態(tài)進(jìn)行分析,同樣可以計(jì)算得到相應(yīng)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(yīng)階數(shù)低些,振型以彎曲和扭轉(zhuǎn)為主。車架是一個(gè)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(jié)果。經(jīng)過計(jì)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(yīng)該屬于剛體模態(tài),它們分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和三個(gè)位移的運(yùn)動(dòng)。所以去

10、掉前六階模態(tài),以計(jì)算得到的第七階振型為實(shí)際的第一階振型,提取五階,如表1所示。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合,其中低階振型對(duì)車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)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(jì)算結(jié)果驗(yàn)證車架及提出控制措施車架模態(tài)計(jì)算結(jié)果的前五階頻率基本避開了路面激勵(lì)頻率,同時(shí)也低于通常轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率。但發(fā)動(dòng)機(jī)工作激勵(lì)頻率范圍寬,而且隨著轉(zhuǎn)速的變化其頻率也會(huì)發(fā)生變動(dòng),因此也還有可能在其它轉(zhuǎn)速下會(huì)發(fā)生共振,值得說明的是:即使發(fā)生

11、了共振也應(yīng)該屬于高頻振動(dòng),而高頻振動(dòng)對(duì)車架結(jié)構(gòu)的疲勞破壞影響有限。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,提出如下的改進(jìn)措施:(1避免車架與發(fā)動(dòng)機(jī)各種激勵(lì)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(dòng)頻率,也可將其它部件安裝在模態(tài)節(jié)點(diǎn)上,如圖3所示。圖3將部件安裝在車架的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍很寬,要求在全部范圍內(nèi)不出現(xiàn)共振是不太容易的。但是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn),其工作轉(zhuǎn)速范圍由低到高大致可分為幾個(gè)區(qū)段:啟動(dòng)過程,怠速過程,加速過程,常用轉(zhuǎn)速過程。而怠速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)和常用運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)屬于常用區(qū)段,應(yīng)該得到重視。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)可分為怠速工況和通常行駛工況考慮,據(jù)文獻(xiàn)1方法按照4缸發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算,怠速時(shí)通常車速

12、500r/ min,此時(shí)其激勵(lì)頻率為16.7Hz左右,通常行駛車速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)多數(shù)在(20003000r/min之間,該轉(zhuǎn)速下激勵(lì)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(zhuǎn)頻率與輪胎和車軸的垂直振動(dòng)頻率比較的接近;在前后軸的左右車輪同時(shí)被抬起時(shí),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(shí),車架處于扭轉(zhuǎn)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(diǎn)位置。(2避免與路面激勵(lì)耦合。對(duì)于路面激勵(lì)一般頻率在120Hz 左右;因此1階頻率有待于提高。(3加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。增加車架結(jié)合處材料厚度或填充高強(qiáng)度泡沫材料。6結(jié)論此車架能夠滿足動(dòng)態(tài)特性的基本條件

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