基于A(yíng)NSYS-Workbench的低速電動(dòng)車(chē)車(chē)身振動(dòng)探究

李博陽(yáng)　潘嘉倫　崔宇昊

摘 要：文章基于低速電動(dòng)車(chē)車(chē)身振動(dòng)參數(shù)研究對(duì)于當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的重要性進(jìn)行分析，以某低速電動(dòng)車(chē)為主要研究對(duì)象，分析車(chē)身骨架的振動(dòng)影響因素，且對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行模態(tài)的分析、諧響應(yīng)分析等，針對(duì)具體研究參數(shù)分析提高電動(dòng)車(chē)舒適性的重要性。文章通過(guò)分析影響車(chē)身振動(dòng)的主要因素，分析車(chē)架模態(tài)，以及車(chē)架諧響應(yīng)情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到具體結(jié)果，從而為研究提供科學(xué)合理的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：ANSYS-Workbench 低速電動(dòng)車(chē) 振動(dòng) 參數(shù)

Research Data of Low-speed Electric Vehicle Body Vibration based on ANSYS-Workbench

Li Boyang，Pan Jialun，Cui Yuhao

Abstract：This article analyzes the importance of low-speed electric vehicle body vibration parameters for the current industry development. Taking a low-speed electric vehicle as the main research object， the article analyzes the vibration influence factors of the body frame， and analyzes and summarizes them， carrying out modal analysis， harmonic response analysis， etc.， and analyzing the importance of improving the comfort of electric vehicles for specific research parameters. The article analyzes the main factors that affect the vibration of the vehicle body， analyzes the frame mode and the harmonic response of the frame， and obtains specific results through experiments， so as to provide scientific and reasonable reference data for the research.

Key words：ANSYS-Workbench， low-speed electric vehicles， vibration， parameters

低速電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)逐漸強(qiáng)大，尤其是最近幾年以來(lái)電動(dòng)車(chē)數(shù)量猛增，尤其是在三線(xiàn)、四線(xiàn)城市地區(qū)，加上廣袤的農(nóng)村地區(qū)，低速電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量增加，也為地方經(jīng)濟(jì)和交通的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。在生活中常見(jiàn)的低速電動(dòng)車(chē)主要是退休老人出門(mén)代步的主要工具，同時(shí)還作為景區(qū)游覽車(chē)存在，四度電動(dòng)車(chē)乘坐舒適度也提出了更多要求。在傳統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)燃油汽車(chē)對(duì)NVH的研究已經(jīng)比較全面，但是驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為主要能源的純電動(dòng)汽車(chē)的研究進(jìn)展并不順利，文章對(duì)其進(jìn)行了具體研究。

1 車(chē)身振動(dòng)因素分析

1.1 車(chē)架材料、結(jié)構(gòu)

低速電動(dòng)車(chē)車(chē)架材料很多，常用材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼，如Q235，該材料與舊標(biāo)準(zhǔn)GB700-79牌號(hào)中的A3、C3鋼相當(dāng)，在使用過(guò)程中可以不經(jīng)過(guò)熱處理就可以使用;Q345是一種低合金鋼，主要運(yùn)用在橋梁、船舶、建筑、壓力容器等。除此之外還有16mn等。作為常用來(lái)制作車(chē)架材料的鋼結(jié)構(gòu)，本身結(jié)構(gòu)材料種類(lèi)就非常多。低速電動(dòng)車(chē)在生產(chǎn)完畢之后投入到市場(chǎng)中，車(chē)身剛度與阻尼等均會(huì)對(duì)車(chē)架本身早晨剛影響，彼此之間相互聯(lián)系。在這種情況下為了提高設(shè)備的性能保證人們出行舒適度，則可以?xún)?yōu)化車(chē)架結(jié)構(gòu)來(lái)防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象影響人們的出行體驗(yàn)[1]。本文的研究方向主要是針對(duì)車(chē)架性能的研究：

1.2 振動(dòng)荷載激勵(lì)

路面激振：主要是因?yàn)槁访娌黄匠霈F(xiàn)的激振，這是因?yàn)檐?chē)架與車(chē)身本身為一體，路面不平導(dǎo)致車(chē)輛振動(dòng)，在實(shí)際測(cè)定中頻率范圍為0.5～25hz。如果是在普通路面行駛，則頻率范圍是1～3hz。

車(chē)輪不平衡激振：車(chē)輪無(wú)法保持平衡引起的激振，用方程表示：

fw=v/2Πr（1-1） （1）

在上述句式當(dāng)中，v=車(chē)輛速度;r=輪胎半徑。本次計(jì)算主要是針對(duì)路面不平激振下產(chǎn)生的頻率范圍為：0～85.41。

1.3 電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生荷載

計(jì)算電機(jī)與傳統(tǒng)荷載產(chǎn)生頻率，電機(jī)與傳統(tǒng)系統(tǒng)質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的振動(dòng)對(duì)電動(dòng)車(chē)本身也會(huì)造成影響，在這個(gè)過(guò)程中甚至還存在傳動(dòng)齒輪安裝出現(xiàn)錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

2 車(chē)架模態(tài)分析

2.1 基于理論認(rèn)識(shí)

在生產(chǎn)當(dāng)中低速電動(dòng)車(chē)的骨架具備自動(dòng)性能，而且設(shè)置了多個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)，在生產(chǎn)當(dāng)中根據(jù)系統(tǒng)不同的振動(dòng)頻率、類(lèi)型而存在不同的特征。在力學(xué)計(jì)算當(dāng)中，可以通過(guò)系統(tǒng)的方式來(lái)計(jì)算具體力學(xué)，如使用有限元法計(jì)算的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，在計(jì)算中簡(jiǎn)化自由度，就可以通過(guò)計(jì)算有限自由度來(lái)計(jì)算系統(tǒng)力學(xué)，計(jì)算公式如下：

[M]={x''}+[C]{x'}+[K]{x}={P（t）}（2-1） （2）

在計(jì)算中，通過(guò)模態(tài)分析，確保系統(tǒng)不會(huì)受到外界荷載造成的影響。如果在計(jì)算過(guò)程中阻尼小于模態(tài)分析計(jì)算，則可以將其簡(jiǎn)化成無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

[M]={x''}+[K]{x}=0（2-2） （3）

對(duì)其計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果為：

{x}={A}sin（ωt+Φ）（2-3） （4）

根據(jù)上述計(jì)算得到微分方程組的計(jì)算結(jié)果，在計(jì)算當(dāng)中A表示振幅列向量，ω表示振動(dòng)的固定品，Φ表示初相位。如果ω2等于s，則可以在計(jì)算當(dāng)中，將方程式（3）帶入到方程式（2）當(dāng)中，就可以計(jì)算得到該方程：

（[K]-S[M]）{A}=0（2-4） （5）

對(duì)方程式（5）機(jī)械能有非零解的充要條件有：

（[K]-S[M]）=0（2-5） （6）

在上述計(jì)算當(dāng)中，特征值用ωi2來(lái)表示，被稱(chēng)為第i階固有的頻率，對(duì)應(yīng)ωi2表示的特征。

2.2 模態(tài)仿真分析

利用CATIA來(lái)分析系統(tǒng)構(gòu)成，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行三維建模來(lái)分析性能，為提高分析能力、降低劃分速度、復(fù)雜與專(zhuān)業(yè)性，在建模中還原實(shí)物可以簡(jiǎn)化對(duì)剛度的計(jì)算，然后將模型導(dǎo)入到ANSYS-Workbench內(nèi)，劃分網(wǎng)格區(qū)分各個(gè)單元，得到最終的數(shù)值，分別是173061個(gè)節(jié)點(diǎn)、76764個(gè)單元。

對(duì)自由模態(tài)進(jìn)行分析，在移動(dòng)前六階剛體的頻率統(tǒng)計(jì)接近0，證明在計(jì)算當(dāng)中這個(gè)部分的振動(dòng)可以忽略不計(jì)。通過(guò)計(jì)算低頻區(qū)域的固有頻率[2]。

在對(duì)模型研究中，分析出扭轉(zhuǎn)模型，這是因?yàn)檐?chē)身骨架在這里出現(xiàn)了明顯的彎曲陣型，在該頻率下研究人員發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)存在明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);在第三階固有陣型整體呈現(xiàn)出彎曲跡象，通過(guò)對(duì)頻率模型分析，在該頻率下骨架出現(xiàn)明顯的振動(dòng)情況。在整體計(jì)算中有三階出現(xiàn)局部陣型情況，部分橫梁彎曲。在座椅的涉及當(dāng)中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)需要考慮到乘坐人員的舒適體驗(yàn)，因此如果存在變形，將無(wú)法保證整體體驗(yàn)，在設(shè)計(jì)中需要考慮到底架變形的影響。通過(guò)對(duì)模態(tài)分析結(jié)果可以知道，當(dāng)振動(dòng)頻率為53.14hz頻率下底架彎曲變形最大，當(dāng)振動(dòng)頻率為65.22hz 的時(shí)候，底架出現(xiàn)最大的扭轉(zhuǎn)變形。

3 車(chē)架諧響應(yīng)

3.1 理論

在A(yíng)NSYS 的諧響應(yīng)分析中，只計(jì)算d結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，而不考慮激勵(lì)發(fā)生的瞬時(shí)振動(dòng)。諧響應(yīng)的分析能夠預(yù)測(cè)車(chē)架本身的持續(xù)動(dòng)力特征，技術(shù)人員通過(guò)分析能夠得到具體響應(yīng)，比如位移、速度、加速度在計(jì)算的適合結(jié)構(gòu)能量共振就會(huì)發(fā)生突變。在分析中如果激勵(lì)荷載的頻率與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自振頻率很接近的時(shí)候結(jié)構(gòu)的變化很明顯，在能量響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)很大突變，人們稱(chēng)之為能量共振。在這個(gè)過(guò)程中的能量共振幅度會(huì)受到結(jié)構(gòu)阻尼的影響。如果阻尼小則共振陡峭，因此結(jié)構(gòu)振幅的具體表現(xiàn)就越明顯[3]。在計(jì)算共振的時(shí)候，不能忽視對(duì)振動(dòng)的計(jì)算。阻尼在動(dòng)力分析當(dāng)中特征非常明顯，而且也非常容易引起困惑，在動(dòng)力分析中會(huì)因?yàn)楸旧淼捻憚?dòng)力呈現(xiàn)出衰減的現(xiàn)象，因此需要分析諧響應(yīng)。在計(jì)算當(dāng)中阻尼的表現(xiàn)就比較復(fù)雜，模型分析也很困難。借助ANSYS能夠直觀(guān)體現(xiàn)出各種特征，的昂阻尼的分析更容易，比如比例、材料、恒定阻尼比等，使用ANSYS 的諧響應(yīng)分析能夠得到正弦波下系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)，同時(shí)通過(guò)ANSYS 的諧響應(yīng)分析也可以很好的計(jì)算、分期周期荷載作用下結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)問(wèn)題，這種計(jì)算方式克服了常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在計(jì)算這個(gè)方面的缺陷。

在具體的分析中需要對(duì)車(chē)身骨架進(jìn)行模態(tài)分析能夠得到車(chē)架結(jié)構(gòu)的相關(guān)要素，但是在計(jì)算當(dāng)中所有的位移其實(shí)都是歸一化計(jì)算的方式，但是最終計(jì)算得到的數(shù)據(jù)有也僅僅是作為參考。為了得到車(chē)身骨架實(shí)際的振動(dòng)相應(yīng)，諧響應(yīng)作為直觀(guān)而復(fù)雜一個(gè)環(huán)節(jié)需要被重視。諧響應(yīng)的表示方程式為：

（-ω2[M]）+iω[C]+[K]）（{Φ1+i{Φ2}）{x}=（{F1}+i{F2}）（3-1） （7）

在上述句式當(dāng)中，ω表示振動(dòng)角頻率，Φ表示模態(tài)形狀分子，F(xiàn)為諧荷載。

3.2 諧響應(yīng)的仿真分析

通過(guò)諧響應(yīng)分析求解，有兩種求解方式，分別是疊加法、完全閥兩種，這里主要分析完全計(jì)算得到的結(jié)果。根據(jù)車(chē)架懸架與車(chē)架連接的方式，主要將車(chē)架的連接點(diǎn)的位置朝著X方向、橫向Y方向移動(dòng)，以自由度為方向，釋放垂直Z方向的移動(dòng)自由度。在前后懸架連接處分別施加500N的沖擊荷載。通過(guò)計(jì)算范圍內(nèi)的荷載情況得到車(chē)架底部的垂直震動(dòng)情況。

在仿真分析中，重點(diǎn)記錄局部最大振動(dòng)峰值出現(xiàn)的頻率，分別是38.2HZ、48.2HZ、52.2HZ、69.4HZ中，尤其是在69.4HZ位置發(fā)生了最高峰值，而且研究過(guò)程中，前文提過(guò)當(dāng)振動(dòng)頻率為65.22hz的時(shí)候，底架出現(xiàn)最大的扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)于69.4HZ峰值的出現(xiàn)，兩者非常接近很容易引起車(chē)架共振。

電機(jī)、減速主要齒輪振動(dòng)產(chǎn)生頻率是低速電動(dòng)車(chē)底架振動(dòng)的最主要原因，在未來(lái)的發(fā)展當(dāng)中可以通過(guò)改善交通、改善電動(dòng)車(chē)性能該改善目前這種情況。但是改善電動(dòng)車(chē)其實(shí)是更現(xiàn)實(shí)的行為[4]。因此筆者建議在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以盡可能考慮增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)與后橋連接位置的剛度、橋殼本身的剛度，從而降低減速齒輪嚙合產(chǎn)生的變形量，可以降低振動(dòng)的幅值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，文章通過(guò)研究與分析相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)當(dāng)前低速電動(dòng)車(chē)在設(shè)計(jì)方面應(yīng)該改進(jìn)的要點(diǎn)提出建議。在當(dāng)前發(fā)展中，我國(guó)低速電動(dòng)車(chē)的擁有者越來(lái)越多，出現(xiàn)這種情況之后，科研人員與設(shè)計(jì)人員應(yīng)該思考如何在確保安全性、穩(wěn)定性的前提下為乘坐人員提供更舒適的感受，從而起到更積極的作用。低速電動(dòng)車(chē)車(chē)身振動(dòng)因素非多，在科研過(guò)程中還可以運(yùn)用多種方式來(lái)分析，分析各方面值得改進(jìn)的地方，提出有效的解決方式。

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