四自由度汽車振動(dòng)影響分析

1、精品四目由度汽車振動(dòng)影響分析汽車振動(dòng)問(wèn)題分析汽車振動(dòng)的分析研究是為了提高汽車平順性，汽車平順性是指汽車過(guò)程中能保證乘員不致因車身振動(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。汽車平順性是影響汽車乘坐舒適性的重要原因，而平順性的主要就是依靠汽車減振來(lái)保證，汽車振動(dòng)日益成為汽車研發(fā)和性能提高的關(guān)鍵所在。在了解了汽車振動(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)汽車的研發(fā)。汽車振動(dòng)所要研究的問(wèn)題主要有路面等級(jí)對(duì)汽車振動(dòng)影響、車速對(duì)汽車振動(dòng)影響、懸架參數(shù)對(duì)汽車振動(dòng)影響。汽車四自由度系統(tǒng)建模圖2.1四自由度汽車模型考慮汽車縱向角振動(dòng)時(shí)懸架對(duì)

2、車身激振影響就必須至少將汽車振動(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，要求車輛相對(duì)于縱垂面完全對(duì)稱，并且左右車輪下的路面不平度完全一樣， 則認(rèn)為車輛是在縱 垂面上振動(dòng)。把車身簡(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；把前后車軸（包括輪胎）的質(zhì)量簡(jiǎn)化為二個(gè)質(zhì)量點(diǎn) ml , 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cl ,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。(2. 1)為了研究懸架與車身連接點(diǎn)處懸架振動(dòng)對(duì)車身的激勵(lì)， 必須首先列出整個(gè)振 系的振動(dòng)微分方程組

3、。為此根據(jù)分析動(dòng)力學(xué)中的粘滯阻尼力的拉格朗日方程：d T T URdt.Z.ZZZ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:T lmz221J 2-mil1. 2-m2 z22(2.2)- 可編輯 -總位能為:1U -ki(zZi)12 k2(zb Z2)21 kti (ziqi)22 kt2(Z2q2)2(2.3)總耗散能為:i .R 2G(Zz)22 c2(Z21,、/一，、b z) -cti (zi qi)2Ct2(z2 q2)(2.4)(2. 5)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：M Z C Z

4、KZ KtQ CtQ其中：m 0 000 J 00M0 0日00 0 0 m2kik2k1a k2bkik2k1a k2b k1a2 k2b2 k1ak2bk1ak2bk1 kt100k2kt2精品- 可編輯 -c1 c2c1ac2bc1c2c1a c2b22c1ac2bc1ac2bc1c1 ac1c20c2 c2b 0kt00kt10000kt2ctc1ct10c2z1z2q10q2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，z1z1z2q1q2kt 、 ct 分別為輪胎的剛度矩陣和阻尼矩陣。對(duì)式 (2. 5) 兩邊取拉普拉斯變換：L M Z CZ KZL ktQ c

5、t Q2Ms2 Cs K Z(s)ktCts(2. 6)得到傳遞函數(shù)為：G(s)Ms2 Cs Kktct s(2.7)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：2H (jw) K Mw2 jwC1kt jwct(2. 8)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣H ( jw)由頻響函數(shù)矩陣組成:HHH (jw) HH11213141HHHH12223242其中 H11(w) 是車身垂直振動(dòng)對(duì)前輪激勵(lì)的頻率響應(yīng)函數(shù)，H12 (w) 是車身垂直振動(dòng)對(duì)后輪激勵(lì)的頻響函數(shù)；H21(w)、H 22(w)分別為車身俯仰振動(dòng)對(duì)前后輪精品激勵(lì)的頻響函數(shù)；H31（W）、H32（W）分別為前軸振動(dòng)對(duì)前后輪激勵(lì)響應(yīng)；

6、H41（W）、H42（W）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空間整車模型由于左右車輪對(duì)汽車的真實(shí)激勵(lì)并不完全相同，而是具有一定的相關(guān)性，使 得汽車產(chǎn)生了側(cè)傾振動(dòng)。因此，空間整車模型的基本特征是，同時(shí)考慮了汽車車 身的垂直、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，更能全面描述汽車的整體振動(dòng)特性。國(guó)外學(xué)者也用 空間整車力學(xué)模型進(jìn)行過(guò)汽車平順性和操縱穩(wěn)定性研究。- 可編輯 -三、基于ANSYS軟件汽車振動(dòng)分析3.1 ANSYS 中建立汽車模型模型中需要有三個(gè)單元類型，車架選擇為梁?jiǎn)卧?Beam3 ;懸架和輪胎為彈 簧阻尼單元C

7、ombination14,并設(shè)置其為二維單元即設(shè)置其 option參數(shù)K3為 2-D longitudinal ；車身集中質(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：車身質(zhì)量(m)12253kg前輪質(zhì)量(m1)750kg后輪質(zhì)量(m2)1100kg轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J)8800kg ?m2車身質(zhì)心至前輪跑離(a)3.6m車身質(zhì)心至后輪距離(b)2.1m前懸(l f)1.1m后懸(le)1.6m前懸架剛度系數(shù)(k1)631.2kN/m前懸架阻尼系數(shù)(G)12kN?s/m后懸架剛度系數(shù)(k2)1

8、814.6kN/m后懸架阻尼系數(shù)(c2)20kN?s/m前輪胎剛度系數(shù)(kt1)2440kN / m前輪胎阻尼系數(shù)(ct1)0kN ?s/m后輪胎剛度系數(shù)(kt2)4880kN/m后輪胎阻尼系數(shù)（ct2）0kN ?s/m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

9、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）1.88725.646810.48812.80857XI>L n啦 ne-L- mOl» |EK|MTM ua bJUmeh

10、 MeeANSI'S加 LIMl 5和KUL SXUTMITEM Hl E FMXM rm. iwi iro-C"n -.£4MMMISYSm】國(guó)口 £4：紀(jì)二注Q.KQB14.XRC3&.X044Z.Mim.W3».WQ11-.葡.tUilS5MRS.1) Ki 1.91.MDtlj9»i ursm ,¥ww4涮*一階振型圖二階振型圖杷皿 sanrzzflm >3JlE上!l酊恥白 Q加的SL5T3G *>.ElM1flANSY4E lit &U M#UlEHHCZ11 >illllL3!i

11、2-<K««4EK rre mi 鵬I映小M i；E7T<ANSSJH L> Hat16陽(yáng)Jk -工計(jì)料,：<0«MM鋁由口即.llflll.WHAM.mm.MGJH樹 EB.R11IE3.KMT?.KMfiT/MM制,32*，9四階振型圖三階振型圖圖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

12、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)模態(tài)進(jìn)行組合，得到最終的響應(yīng)結(jié)果。1e4， 3- d- ，lx1- 工o cl1E 工圖3.23 A級(jí)路面車速30km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖3.24 A級(jí)路面車速30km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz ）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，并且以圖表曲線的形式呈現(xiàn)。如下示例：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)汽車振動(dòng)的影響，采用控制變量法，保持車速

13、一定，分別用ansys分析得到汽車在A、B、C級(jí)路面上的加速度響應(yīng)譜的曲線，通過(guò)曲線對(duì)比分析得出結(jié)論。這里以車速 40km/h為例。R5工工專3/UM jmr u aoia uioa i”.1寸.3 2-. L-巨小04L.2.盅（1231 4圖4.1 A級(jí)路面車速40km/h時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)AN Jtnt LZ ZU13圖4.2 A級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）ANJIN 12112S-.112 &I n ri-< nCM右含37上身12 5-ALA0412IENCI2S34f ：Hz)圖4.3 B級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車

14、身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.4 B級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）£ n1=>圖4.5 C級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.6 C級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車身質(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中曲線的變化趨勢(shì)沒(méi)有變化，都在一階振動(dòng)（車身垂直振動(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)（車身俯仰振動(dòng)）的強(qiáng)度最小。但是從圖4.1-圖4.6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

15、化只影響多軸汽車的振動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)多軸汽車的振動(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 車速對(duì)振動(dòng)的影響分析車速對(duì)汽車振動(dòng)的影響，采用單一變量法，保持路面情況一定，分別用 ansys分析得到汽車車速為 30km/h、40km/h、50km/h 的加速度響應(yīng)譜的曲 線，通過(guò)曲線對(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）PO3T24JANjott is 3P13_ 2 1 : 1J i 4 &自4T4 0-U3才.J4-1aF白-14B1 Saa2交由IS4 0圖4.7 B級(jí)路面車速30km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.8 B級(jí)路面車速30km/

16、h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）圖4.9 B級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)1rnN 12 aci?ct'mfe-eia:圖4.10 B級(jí)路面車速40km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz）FOSTJ63八rxiJim 1Z 2C13；IEE Of (HfiFZB3 "WWW圖4.11 B級(jí)路面車速50km/h 時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)AN工IM 12 2 313± 24： Z4圖4.12 B級(jí)路面車速50km/h 時(shí)的車身質(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

17、4.12中曲線的變化趨勢(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)汽車振動(dòng)的影響，采用單一變量法，保持路面情況和車速一 定（B級(jí)路面車速為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)曲線分析懸架阻尼對(duì)振動(dòng) 的影響。3ANJVN 1Z 2D1381&-r，口 ZSO-4 3 -

18、m 口 學(xué)門!fl41Z£ aZC 37 *Z 3-93ae圖4.13 B級(jí)路面車速40km/h后懸架剛度減少25%時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)ANJUH 12 2013金i 士白占士總占圖4.14 B級(jí)路面車速40km/h 后懸架剛度減少25%時(shí)的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz ）ANJUU 12 2013圖4.15 B級(jí)路面車速40km/h后懸架剛度增加25%時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.16 B級(jí)路面車速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)路面車速40km/h后懸架阻尼減少25%時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.18 B級(jí)路面車速40km/h 后懸架阻尼減少25%時(shí)的加速度功率譜響應(yīng)（4-16Hz )F05T2634噌£ANjto 12 工mi22:19!0»712 5 J1 Afi JJNC G3 7 4 -3當(dāng)一11 t Jfjb,aa ,a41Gf(fSC3240圖4.19 B級(jí)路面車速40km/h后懸架阻尼增加 25%時(shí)的車身質(zhì)點(diǎn)加速度功率譜響應(yīng)圖4.20 B級(jí)路面車速40km/h 后懸架阻尼增加25%時(shí)的加速度功率譜