SUV型汽车车架周期载荷激励的计算

何仁邦

(四川新筑路桥机械股份有限公司 桥隧所，成都 611430)

任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应［1］。车架在行驶过程中，会承受路面不平度激励和发动机的规律振动激励，由这些激励在车架上所引起的响应会直接影响到车架的寿命和汽车的平顺性。本文以DD6470型SUV车架为研究对象，计算在周期载荷作用下车架结构的振动响应。

表1 车架各项技术参数表

1 DD6470型SUV车架有限元模型

1.1 车架模型的技术参数

6470型SUV车架由2根纵梁，5根横梁，1根扭杆梁，1根变速箱梁和前后副杠组成。车架的各项技术参数如表1所示。该车架的材料为16Mn钢，物理性能为:弹性模量E=2.0×1011Pa;质量密度ρ=7 800 kg/m3;泊松比μ=0.3。材料的机械性能为:最小屈服强度360 MPa;最小抗拉强度510 MPa;最大抗拉强度610 MPa。

图1 划分网格后的有限元模型

1.2 车架有限元模型

对车架进行必要的简化，考虑计算时间及计算精度等因素，采用shell63壳单元对车架进行离散，形成车架有限元模型。网格划分后单元数259 940个，节点数516 916个。划分网格后的有限元模型［2］如图1 所示。

2 车架的周期激励载荷

对车架做如下假设［3］:1)车身为刚体且对称于铅垂面;2)左右车轮受到的路面的激励相同;3)车辆等速直线行驶，轮胎与地面始终保持接触;4)路面位移输入函数作用在轮胎与路面的接触点中心上;5)轮胎和路面视为点接触。

由于汽车前后悬架振动彼此没有联系，可以将整车简化为1/4个汽车振动模型，即车身与车轮二自由度系统［2］。汽车在道路上行驶所受的激励主要是来自路面的不平。如果地面的波形如图2所示，则其波形公式可描述为:

其中ωg为地面波形频率，ωg=2πvt/l，h为振幅，l为波长，v为汽车速度。

图3为车辆1/4振动模型示意图，图中各符号的物理意义为:m1为簧下质量(包括轮轮圈，轮胎，轮轴等);m2为簧上质量(包括车厢，载重等);k1为轮胎刚度系数;k2为悬架刚度系数;x1为路面不平度;x2为簧下质量的垂直位移;x3为簧上质量的垂直位移。因为自由衰减运动在运动开始后很短的时间内就消失，所以不考虑阻尼［5］。其运动方程式为:

如果车身不动，则x1=0，那么车轮的自然振动频率ω12可以由得出。

图2 路面模拟图

图3 1/4车辆振动模型

根据振动原理可得出ω12的平方值为:

如果车轮不动，则车身的自振频率可以由悬架刚度和簧上质量决定。

该型车架已知量如下:m1=100 kg;m2=1 600 kg;k1=680 000 N/m;k2=34 000 N/m;设汽车行驶速度为30 m/s;波长l=3 m;幅值h=0.03 m。计算结果为:F=－24 580sin tN。

3 车架响应结果

借助有限元分析软件ANSYS，对车架进行周期振动激励计算。在车架的模型上选几个有代表性的点，查看其随振动频率变化的位移和应力性况。第1点选在发动机前托架处，此节点的编号为31 377，距发动机最近;第2点选在第3横梁与纵梁交界处，编号为28 460，该点为静力学分析结果的位移最大点;第3点选在车架的后副杠上，编号为38 668，此点处于车架的末端也是容易产生振动的部位。

图4和图5为第1点位移幅频图和应力—频率图。从图4中可以看出第1点在频率为30～37.5 Hz时Y方向的位移达到最大，为2.25 mm。从图5可看出:在30～37.5 Hz其应力值达到最大，为106.5 Mp。

图6和图7为第2点位移幅频图和应力—频率图。从图6中可以看出在频率段30～37.5 Hz时，X方向的位移达到最大，为0.073 mm，同时，在同一频率段，Y方向位移达到最大，为2.80 mm;Z方向位移达到最大，为0.19 mm。如图7所示，其应力在频率段30～37 Hz时达到最大，为50.63 Mp。

图8和图9是第3点谐响应分析图。从图8中可看出:在频率为100～110 Hz时，对X方向的位移影响最大值为0.49 mm;在频率为35～40 Hz时，对Y方向影响最大值为0.98 mm;在频率为40 Hz时对Z方向影响最大值为0.23 mm。同时，在该频率段压力也达到最大值，为38.17 Mp。

通过对这3点的分析可以看出:在频率为35～40 Hz时对车的振动影响最大，特别是对Y方向的位移影响最大。观察点的应力值都在设计允许的范围之内，而且远小于其许用应力，可以对其优化。

图4 第1点XYZ方向的位移幅频图

图5 第1点应力－频率图

图6 第2点XYZ方向位移幅频图

图7 第2点应力－频率图

图8 第3点XYZ方向位移幅频图

图9 第3点应力－频率图

4 结语

本文对车架施加周期性的地面激励，并在车架上选择3个有代表性的点，计算出每个点在此周期地面激励下的最大振幅、最大应力及其相对应的频率范围。为避免发生振动耦合，给出了车架设计时应避开的固有频率段，为发动机的工作频率选择提供了参考依据。该计算结果从理论数据上表明了车架的强度设计符合设计要求，并可进一步优化。

［1］张相庭，王志培，黄本才，等.结构振动力学［M］.2版.上海:同济大学出版社，2005.

［2］崔继强.960 kW钻井泵曲轴优化设计研究［D］.兰州:兰州理工大学，2011.

［3］王少赠.重型汽车对路面损伤的研究［D］.西安:长安大学，2007.

［4］龙晋闽.车辆对路面作用的动载荷研究［D］.西安:长安大学，2006:25－27.

［5］喻凡，林逸.汽车系统动力学［M］.北京:机械工业出版社，2005:17－22.