四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車車架的設(shè)計(jì)與有限元分析

劉賀，董皓，張君安

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710021）

四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車車架的設(shè)計(jì)與有限元分析

劉賀，董皓，張君安

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710021）

現(xiàn)有電動(dòng)汽車底盤普遍為在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，不能很好的適應(yīng)電動(dòng)汽車特有的結(jié)構(gòu)，為更好的實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的功能，重新設(shè)計(jì)了適合四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的車架。應(yīng)用三維軟件SolidWorks，通過整車虛擬裝配確定了合理的四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的車架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建立了車架的三維模型。運(yùn)用有限元分析理論，將模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件后，建立了車架的有限元模型，對(duì)車架在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析，得出相應(yīng)工況下的應(yīng)力和應(yīng)變大?。贿€進(jìn)行了模態(tài)分析,避免了共振。在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并通過焊接加工得到了適合四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的車架，對(duì)以后電動(dòng)汽車底盤的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車車架；SolidWorks；有限元分析；Ansys Workbench；焊接加工

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-40-04

引言

為了應(yīng)對(duì)世界能源緊缺、環(huán)境惡化的難題，近年來傳統(tǒng)汽車開始向以電動(dòng)汽車為代表的新型汽車的方向發(fā)展[1]。車架是汽車各總成的安裝基體，它的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身等總成連成一輛完整的汽車。在行駛中，它不但要承受汽車各總成的質(zhì)量和有效載荷，而且還要承受行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種靜載荷和動(dòng)載荷[2]。因而，車架的強(qiáng)度和剛度在汽車的總體設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。根據(jù)電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過SolidWorks虛擬裝配已有的零件，確定了車架的結(jié)構(gòu)形式和基本尺寸，通過Ansys對(duì)車架進(jìn)行有限元分析，

確定了車架強(qiáng)度和剛度的合理性，然后加工出了車架，為以后電動(dòng)汽車車架的設(shè)計(jì)流程提供了參考依據(jù)。

1、車架設(shè)計(jì)

該四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車是滿載2人，最高車速為40KM/H的微型電動(dòng)汽車，前、后橋均采用麥佛遜獨(dú)立懸架，選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，制動(dòng)系統(tǒng)采用盤式制動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為通過車載電源帶動(dòng)電機(jī)，前輪驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)以上功能，必須單獨(dú)設(shè)計(jì)該車的車架，并在車架前后部分設(shè)計(jì)相應(yīng)的懸架支撐安裝點(diǎn)[3]，以及各部件的連接點(diǎn)，用以安裝底盤各零部件。

該車架為框架式結(jié)構(gòu)，主要由橫梁和縱梁構(gòu)成。該車架長2160mm，寬800mm，軸距1800mm；采用的材料是型號(hào)為[8/Q235的槽鋼。運(yùn)用SolidWorks建立各零件的三維模型，在各零件運(yùn)動(dòng)不干涉的前提下，確定了車架的具體尺寸，裝配后的車架實(shí)體模型如圖1所示。

2、車架的有限元模型

將SolidWorks建立的車架的三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，定義分析的類型為static structural。槽鋼的材料為Q235，對(duì)應(yīng)的Ansys Workbench中默認(rèn)的材料為structural steel，力學(xué)性能參數(shù)為：彈性模量E為2e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3，屈服極限為235MPa。車架模型通過connection命令，自動(dòng)成為一個(gè)整體，然后通過mesh智能網(wǎng)格，選擇粗糙度為coarse，快速而高效的為車架劃分網(wǎng)格[4]，劃分完網(wǎng)格的車架有限元模型如圖2所示。

3、車架靜態(tài)分析

有限元結(jié)構(gòu)靜力分析的成熟商業(yè)軟件很多，但是它們依賴的基本方程都可以表示為：

式中：[K]—經(jīng)過約束處理的整體剛度矩陣；

{D}—待求解的整體位移向量；

{P}—與待求解的整體位移向量對(duì)應(yīng)的載荷向量。

對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，不僅要有網(wǎng)格質(zhì)量好的有限元網(wǎng)格和符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型，而且還要定義載荷工況和邊界條件[5]。

根據(jù)車架的工作情況，進(jìn)行載荷和約束條件的定義。根據(jù)靜力等效原則，分別將車身，駕乘人員，電池和電機(jī)等部件的重量轉(zhuǎn)化為等效載荷施加于車架相應(yīng)的受力位置上，各部分的質(zhì)量和約束條件如表1，表2所示。

表1 載荷約束條件

表2 邊界約束條件

3.1 車架彎曲工況分析

在定義完載荷和邊界約束條件之后，對(duì)車架求解，可得到車架總體變形位移和彎曲應(yīng)力分布圖，如圖3a，圖3b所示。

通過有限元計(jì)算彎曲工況時(shí)，車架承受的質(zhì)量和載荷要乘以一定的動(dòng)載荷系數(shù)，方向豎直向下，以模擬汽車在良好

路面下勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，并進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校核?，F(xiàn)有的研究表明，在對(duì)車架彎曲工況進(jìn)行模擬時(shí)，最大動(dòng)載荷系數(shù)以不超過2.5 為宜[6]，為了安全起見本文選擇動(dòng)載荷系數(shù)為2.5。

從圖3位移云圖中可看出車架的最大相對(duì)位移為0.7634mm出現(xiàn)在橫梁上，車架其余位置變形較小，說明車架的剛度能滿足設(shè)計(jì)要求；從圖4整體應(yīng)力云圖上可看出加載點(diǎn)應(yīng)力變化較大，最大值為48.144MPa，遠(yuǎn)小于槽鋼的屈服極限235MPa，說明車架的強(qiáng)度滿足使用要求，且有較大的強(qiáng)度裕量。

3.2 車架扭轉(zhuǎn)工況分析

汽車遭受最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況一般在低速通過崎嶇不平路面時(shí)發(fā)生。這種扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載，在時(shí)間上變化的緩慢，所以慣性載荷很小，最大動(dòng)載荷系數(shù)以不超過1.3 為宜。車架的位移云圖如圖5所示，最大位移發(fā)生在懸架支架的頂點(diǎn)上，相對(duì)位移為0.54962mm，應(yīng)加強(qiáng)懸架的強(qiáng)度；應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力發(fā)生在縱梁和立柱的連接處，應(yīng)力值為43.048MPa，故應(yīng)加強(qiáng)連接處焊接的強(qiáng)度。

4、車架模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元分析的實(shí)質(zhì)就是將一個(gè)彈性連續(xù)體的振動(dòng)問題，離散為一個(gè)以有限個(gè)節(jié)點(diǎn)位移為廣義坐標(biāo)的多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問題，其運(yùn)動(dòng)可以表示為：

式中，[M]表示構(gòu)件的總體質(zhì)量矩陣；

[K]表示構(gòu)件的總體剛度矩陣；

{x} 表示節(jié)點(diǎn)位移列陣；

式（4-1）的解可以假設(shè)為如下形式：

式中，{φ}為 n 階向量；ω 是向量φ的振動(dòng)頻率；t是時(shí)間變量；t0是由初始條件確定的時(shí)間常數(shù)。

將式（4-2）代入式（4-1）得到如下特征方程：

求解方程（4-3）可以確定φ和ω ，可以得到n個(gè)特征

其中，特征值ω1,ω2,...ωn代表構(gòu)件的n個(gè)固有頻率，或稱為特征頻率，并且滿足0≤ω1<ω2...<ωn

特征向量φ1，φ2，...φn代表構(gòu)件的n個(gè)固有振型，對(duì)應(yīng)的幅值可以按照下式確定：

這樣確定的固有振型又稱為正則振型，與固有頻率對(duì)應(yīng)的特征向量稱為模態(tài)形狀。當(dāng)構(gòu)件振動(dòng)時(shí)，在任意時(shí)刻，構(gòu)件的形狀為它的各階模態(tài)的線性組合[7]。

表3 車架前10階模態(tài)和最大位移

模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)[8]，設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車車架時(shí)，不僅需要考慮車架應(yīng)有的強(qiáng)度和剛度，還需保證汽車合理的振動(dòng)特性。通過對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析可以掌握車架對(duì)激振力的影響，從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，為車輛的開發(fā)提供依據(jù)。

運(yùn)用Ansys Workbench對(duì)車架進(jìn)行了自由模態(tài)分析，分

析中忽略外部載荷，提取車架的前10階振型，結(jié)果如表3所示。

通過車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以看出：

（1）從位移變形看，前10階最大位移都在10mm以內(nèi)，表明車架的剛度良好；

（2）自由模態(tài)分析的前6階為剛度模態(tài)，頻率基本為0，但因?yàn)槭┘恿酥亓s束，頻率有所改變，未發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形；從第7階以后為結(jié)構(gòu)模態(tài)，車架在第9階模態(tài)振型中，變形屬于彎扭聯(lián)合作用振型，最大位移雖不大，但振型不光滑。

5、焊接加工

通過虛擬裝配確定了車架裝配結(jié)構(gòu)的合理性，通過Ansys有限元分析，確定了車架強(qiáng)度和剛度的合理性，之后設(shè)計(jì)了各個(gè)連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析所用的槽鋼，最后通過焊接加工得到了車架，在懸架支架上設(shè)置了加強(qiáng)筋，提高了支架的強(qiáng)度，還加強(qiáng)了危險(xiǎn)連接處的焊接強(qiáng)度，車架初步裝配結(jié)果如圖11所示。

6、結(jié)語

（1）通過SolidWorks的虛擬裝配確定了車架合理的裝配結(jié)構(gòu)，選取合適的配件之后，可以進(jìn)行合理的裝配；

（2）Ansys的靜態(tài)分表明車架的強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，但強(qiáng)度裕量較大，后期有很大的改進(jìn)和減小自重的空間；車架結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，通過在懸架安裝點(diǎn)上加加強(qiáng)筋和加強(qiáng)焊接強(qiáng)度的措施，可以使車架的危險(xiǎn)點(diǎn)的強(qiáng)度增大；

（3）電動(dòng)汽車主要是為了適應(yīng)復(fù)雜的城市工況，行駛的路面較平順，此類路面對(duì)汽車產(chǎn)生的外界激振頻率一般低于5Hz甚至有的低于3Hz，結(jié)構(gòu)模態(tài)的頻率大于此頻率，不會(huì)發(fā)生共振；而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的激振頻率一般在20～3000Hz[9]，與車架的各階固有頻率有重合，但車架位移變化量不大，所以對(duì)乘員的舒適性影響不大。

（4）最后通過焊接加工出了車架的整體結(jié)構(gòu)，采用設(shè)計(jì)、分析校核、加工制造的試制程序，為以后電動(dòng)汽車車架的進(jìn)一步改進(jìn)制造提供了參考。

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光．現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[2]龔微寒. 汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造[M].北京:人民交通出版社，1995.8.

[2][3]邵超城，劉強(qiáng)，龍飛永.純電動(dòng)汽車車架設(shè)計(jì)及有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(8)：39～41.

[4]呂建國，康士廷.ANSYS Workbench 14有限元分析自學(xué)手冊(cè)[M].人民郵電出版社，2013.

[5]劉楊.電動(dòng)觀光車車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2007.

[6]馮國勝. 客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999,35(1):91～95.

[7]張阿玲.一種電動(dòng)汽車車身、車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能優(yōu)化[D].山西：中北大學(xué)，2012.

[8]黃超群，來飛.重型貨車車架模態(tài)分析與試驗(yàn)研究［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，19（1）：1-4.

[9]何鵠環(huán)，永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲的分析[D].上海交通大學(xué)，2012:64-100.

Designing and finite element analysis of four wheel steering electric vehicle

Liu He, Dong Hao, Zhang Jun’an
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an Technological University, Shaanxi Xi’an 710021)

The existing electric vehicle’s chassis is generally improved on the basis of traditional automobiles, which can’t adapt to the special structure of electric vehicles, for the better realization of the four wheel steering function , redesigned the frame for four wheel steering electric vehicle. Using the three-dimensional software SolidWorks identified the four-wheel steering electric vehicle’s reasonable frame structure through virtual assembly, thereby established a three-dimensional model of the frame. Then the model was imported into Ansys Workbench software, established the finite element model of

Four-wheel steering electric vehicle frame; SolidWorks; Finite Element Analysis; Ansys Workbench; Welding process

U462.2

A

1671-7988(2014)10-40-04

劉賀，碩士研究生，就讀于西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

the frame by the theory of finite element analysis, the frame’s static structure properties were analyzed to get the stress and strain under the corresponding condition of bending and torsion ; also carried on the modal analysis to avoid the resonance. The frame structure was improved to meet the conditions of the strength and stiffness, and obtained the electric vehicle’s frame by welding process which suitable for four-wheel steering.