四自由度汽車(chē)振動(dòng)影響分析

1、四自由度汽車(chē)振動(dòng)影響分析一、 汽車(chē)振動(dòng)問(wèn)題分析汽車(chē)振動(dòng)的分析研究是為了提高汽車(chē)平順性，汽車(chē)平順性是指汽車(chē)過(guò)程中能保證乘員不致因車(chē)身振動(dòng)而引起不舒適和疲乏感覺(jué)，以及保持運(yùn)載貨物完整無(wú)損的性能。汽車(chē)平順性是影響汽車(chē)乘坐舒適性的重要原因，而平順性的主要就是依靠汽車(chē)減振來(lái)保證，汽車(chē)振動(dòng)日益成為汽車(chē)研發(fā)和性能提高的關(guān)鍵所在。在了解了汽車(chē)振動(dòng)的危害之后，就需要人們研究振動(dòng)問(wèn)題，掌握振動(dòng)機(jī)理，消除振動(dòng)帶來(lái)的不利影響，利用振動(dòng)規(guī)律指導(dǎo)汽車(chē)的研發(fā)。汽車(chē)振動(dòng)所要研究的問(wèn)題主要有路面等級(jí)對(duì)汽車(chē)振動(dòng)影響、車(chē)速對(duì)汽車(chē)振動(dòng)影響、懸架參數(shù)對(duì)汽車(chē)振動(dòng)影響。二、 汽車(chē)四自由度系統(tǒng)建模圖2.1 四自由度汽車(chē)模型考慮汽車(chē)縱向角振動(dòng)

2、時(shí)懸架對(duì)車(chē)身激振影響就必須至少將汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖所示的一個(gè)四自由度平面振動(dòng)模型。在這個(gè)振動(dòng)模型中，要求車(chē)輛相對(duì)于縱垂面完全對(duì)稱(chēng)，并且左右車(chē)輪下的路面不平度完全一樣，則認(rèn)為車(chē)輛是在縱垂面上振動(dòng)。把車(chē)身簡(jiǎn)化為質(zhì)量為m，繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為覺(jué)得平面剛體；把前后車(chē)軸（包括輪胎）的質(zhì)量簡(jiǎn)化為二個(gè)質(zhì)量點(diǎn)m1，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c1，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。為了研究懸架與車(chē)身連接點(diǎn)處懸架振動(dòng)對(duì)車(chē)身的激勵(lì)，必須首先列出整個(gè)振系的振動(dòng)微分方程組。為此根據(jù)分析動(dòng)力學(xué)中的粘滯阻尼

3、力的拉格朗日方程： 式中：T振動(dòng)系統(tǒng)的總動(dòng)能； U振動(dòng)系統(tǒng)的總位能； R振動(dòng)系統(tǒng)的總耗散函數(shù)；對(duì)四自由度平面振動(dòng)模型其總動(dòng)能為： 總位能為： 總耗散能為： 將三式代入拉格朗日方程求出系統(tǒng)振動(dòng)的微分方程組整理成矩形式為： 其中： 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，、分別為輪胎的剛度矩陣和阻尼矩陣。對(duì)式兩邊取拉普拉斯變換： 得到傳遞函數(shù)為： 以jw代替上式中的s算子就可得到振動(dòng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣： 頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣由頻響函數(shù)矩陣組成：其中是車(chē)身垂直振動(dòng)對(duì)前輪激勵(lì)的頻率響應(yīng)函數(shù)，是車(chē)身垂直振動(dòng)對(duì)后輪激勵(lì)的頻響函數(shù)；、分別為車(chē)身俯仰振動(dòng)對(duì)前后輪激勵(lì)的頻響函數(shù)；、分別為前軸振

4、動(dòng)對(duì)前后輪激勵(lì)響應(yīng)；、分別為后軸振動(dòng)對(duì)前后輪激勵(lì)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(jì)算技術(shù)進(jìn)行計(jì)算卻十分方便。圖2.2 空間整車(chē)模型由于左右車(chē)輪對(duì)汽車(chē)的真實(shí)激勵(lì)并不完全相同，而是具有一定的相關(guān)性，使得汽車(chē)產(chǎn)生了側(cè)傾振動(dòng)。因此，空間整車(chē)模型的基本特征是，同時(shí)考慮了汽車(chē)車(chē)身的垂直、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，更能全面描述汽車(chē)的整體振動(dòng)特性。國(guó)外學(xué)者也用空間整車(chē)力學(xué)模型進(jìn)行過(guò)汽車(chē)平順性和操縱穩(wěn)定性研究。三、基于ANSYS軟件汽車(chē)振動(dòng)分析3.1 ANSYS中建立汽車(chē)模型模型中需要有三個(gè)單元類(lèi)型，車(chē)架選擇為梁?jiǎn)卧狟eam3；懸架和輪胎為彈簧阻尼單元Combination14,并設(shè)置

5、其為二維單元即設(shè)置其option參數(shù)K3為2-D longitudinal；車(chē)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(chē)身質(zhì)量前輪質(zhì)量后輪質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量車(chē)身質(zhì)心至前輪距離車(chē)身質(zhì)心至后輪距離前懸（）后懸（）前懸架剛度系數(shù)前懸架阻尼系數(shù)后懸架剛度系數(shù)后懸架阻尼系數(shù)前輪胎剛度系數(shù)前輪胎阻尼系數(shù)后輪胎剛度系數(shù)后輪胎阻尼系數(shù) 表3.1 CA1141四自由度模型參數(shù)定義材料參數(shù)：?jiǎn)卧牧纤x的參數(shù)有彈性模量，泊松比，和密度。此模中主要征對(duì)的就是梁?jiǎn)卧牟牧蠀?shù)，模型所假設(shè)的為無(wú)質(zhì)量輕質(zhì)梁，故

6、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(diǎn)，再依據(jù)節(jié)點(diǎn)生成各單元。 圖3.1 ansys中的四自由度汽車(chē)模型3.2振動(dòng)模態(tài)和功率譜密度分析振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過(guò)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(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(lèi)型、模態(tài)求解三個(gè)步驟。ANSYS模態(tài)分析得到的各階固有頻率如表

7、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）1.88725.646810.48812.808 一階振型圖 二階振型圖 三階振型圖 四階振型圖圖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(lái)的計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析方法，主要用于確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)載荷或隨時(shí)間變化載荷的動(dòng)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(lèi)型、模型輸入、模型求解、三個(gè)步驟。3.3模態(tài)合并譜分析中的模態(tài)合并是因?yàn)榧?lì)譜其實(shí)是由一系列的激勵(lì)組合成的一個(gè)譜，里面的頻率不會(huì)是只有一個(gè)，而不同的激勵(lì)頻率對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)果是不一樣的，對(duì)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(duì)

8、模態(tài)進(jìn)行組合，得到最終的響應(yīng)結(jié)果。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(xiàn)的形式呈現(xiàn)。如下示例：圖3.23 A級(jí)路面車(chē)速30km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖3.24 A級(jí)路面車(chē)速30km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）四、結(jié)果分析4.1路面等級(jí)對(duì)振動(dòng)的影響分析路面等級(jí)對(duì)汽車(chē)振動(dòng)的影響，采用控制變量法，保持車(chē)速一定，分別用ansys分析得到汽車(chē)在A、B、C級(jí)路面上的加速度響應(yīng)譜的曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)對(duì)比分析得出結(jié)論。這里以車(chē)速40km/h為例。 圖4.1 A級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng) 圖4.2 A級(jí)路

9、面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)(4-16Hz) 圖4.3 B級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng) 圖4.4 B級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)(4-16Hz)圖4.5 C級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng) 圖4.6 C級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)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(xiàn)的變化趨勢(shì)沒(méi)有變化，都在一階振動(dòng)（車(chē)身垂直振動(dòng)）處振動(dòng)強(qiáng)度非常大，三階振動(dòng)（前輪垂直振動(dòng)）和四階振動(dòng)（后輪垂直振動(dòng)）比一階振動(dòng)強(qiáng)度小，二階振動(dòng)（車(chē)身俯仰振動(dòng)）的強(qiáng)度最小。但是從圖4.1-圖4.

10、6中可以看出，各階振動(dòng)的強(qiáng)度隨著路面等級(jí)由A到C依次變大。即路面等級(jí)的變化只影響多軸汽車(chē)的振動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)多軸汽車(chē)的振動(dòng)特性的變化趨勢(shì)沒(méi)有影響，且路面越平坦振動(dòng)強(qiáng)度越小。4.2車(chē)速對(duì)振動(dòng)的影響分析車(chē)速對(duì)汽車(chē)振動(dòng)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(chē)車(chē)速為30km/h、40km/h、50km/h的加速度響應(yīng)譜的曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)對(duì)比分析得出結(jié)論。這里以B級(jí)為例。（其他A、C級(jí)路面見(jiàn)附件）圖4.7 B級(jí)路面車(chē)速30km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng) 圖4.8 B級(jí)路面車(chē)速30km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)(4-16Hz) 圖4.9 B級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)

11、點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng) 圖4.10 B級(jí)路面車(chē)速40km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)(4-16Hz) 圖4.11 B級(jí)路面車(chē)速50km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng) 圖4.12 B級(jí)路面車(chē)速50km/h時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)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4.12中曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)沒(méi)有變化，都是在一階三階四階振動(dòng)處強(qiáng)度較大，在二階振動(dòng)處強(qiáng)度較小。且隨著車(chē)速的增加各階振動(dòng)的強(qiáng)度逐漸增大，但是與路面等級(jí)的影響相比可知，其影響性要小于路面等級(jí)對(duì)振動(dòng)的影響。4.3懸架參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響分析懸架參數(shù)對(duì)汽車(chē)振動(dòng)的影響，采用單一變量法，保持路面情況和車(chē)速一定（B級(jí)路面

12、車(chē)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(xiàn)分析懸架剛度對(duì)振動(dòng)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(xiàn)分析懸架阻尼對(duì)振動(dòng)的影響。圖4.13 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架剛度減少25%時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.14 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架剛度減少25%時(shí)的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）圖4.15 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架剛度增加25%時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.16 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架剛度增加25%時(shí)的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）圖4.17 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架阻尼減少25%時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.18 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架阻尼減少25%時(shí)的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）圖4.19 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架阻尼增加25%時(shí)的車(chē)身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.20 B級(jí)路面車(chē)速40km/h后懸架阻尼增加25%時(shí)的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）分析圖4.13-圖4.16可以得出結(jié)論：圖4.13-圖4.16中曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生變化，但是產(chǎn)生波峰的頻率發(fā)生了變化，且由圖可看出隨著懸架剛度的增加，汽車(chē)