基于ANSYS-Workbench的低速电动车车身振动探究

李博阳　潘嘉伦　崔宇昊

摘 要：文章基于低速电动车车身振动参数研究对于当前行业发展的重要性进行分析，以某低速电动车为主要研究对象，分析车身骨架的振动影响因素，且对其进行分析和总结，通过对其进行模态的分析、谐响应分析等，针对具体研究参数分析提高电动车舒适性的重要性。文章通过分析影响车身振动的主要因素，分析车架模态，以及车架谐响应情况，通过实验得到具体结果，从而为研究提供科学合理的参考数据。

关键词：ANSYS-Workbench 低速电动车 振动 参数

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

低速電动车经过多年发展已经逐渐强大，尤其是最近几年以来电动车数量猛增，尤其是在三线、四线城市地区，加上广袤的农村地区，低速电动车销量增加，也为地方经济和交通的发展做出了贡献。在生活中常见的低速电动车主要是退休老人出门代步的主要工具，同时还作为景区游览车存在，四度电动车乘坐舒适度也提出了更多要求。在传统领域内燃油汽车对NVH的研究已经比较全面，但是驱动电机作为主要能源的纯电动汽车的研究进展并不顺利，文章对其进行了具体研究。

1 车身振动因素分析

1.1 车架材料、结构

低速电动车车架材料很多，常用材料有碳素结构钢，如Q235，该材料与旧标准GB700-79牌号中的A3、C3钢相当，在使用过程中可以不经过热处理就可以使用;Q345是一种低合金钢，主要运用在桥梁、船舶、建筑、压力容器等。除此之外还有16mn等。作为常用来制作车架材料的钢结构，本身结构材料种类就非常多。低速电动车在生产完毕之后投入到市场中，车身刚度与阻尼等均会对车架本身早晨刚影响，彼此之间相互联系。在这种情况下为了提高设备的性能保证人们出行舒适度，则可以优化车架结构来防止出现共振现象影响人们的出行体验[1]。本文的研究方向主要是针对车架性能的研究：

1.2 振动荷载激励

路面激振：主要是因为路面不平出现的激振，这是因为车架与车身本身为一体，路面不平导致车辆振动，在实际测定中频率范围为0.5～25hz。如果是在普通路面行驶，则频率范围是1～3hz。

车轮不平衡激振：车轮无法保持平衡引起的激振，用方程表示：

fw=v/2Πr（1-1） （1）

在上述句式当中，v=车辆速度;r=轮胎半径。本次计算主要是针对路面不平激振下产生的频率范围为：0～85.41。

1.3 电机与传动系统产生荷载

计算电机与传统荷载产生频率，电机与传统系统质量不平衡导致的振动对电动车本身也会造成影响，在这个过程中甚至还存在传动齿轮安装出现错误的现象。

2 车架模态分析

2.1 基于理论认识

在生产当中低速电动车的骨架具备自动性能，而且设置了多个振动子系统，在生产当中根据系统不同的振动频率、类型而存在不同的特征。在力学计算当中，可以通过系统的方式来计算具体力学，如使用有限元法计算的系统动力学问题，在计算中简化自由度，就可以通过计算有限自由度来计算系统力学，计算公式如下：

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

在计算中，通过模态分析，确保系统不会受到外界荷载造成的影响。如果在计算过程中阻尼小于模态分析计算，则可以将其简化成无阻尼自由振动方程：

[M]={x''}+[K]{x}=0（2-2） （3）

对其计算，得到计算结果为：

{x}={A}sin（ωt+Φ）（2-3） （4）

根据上述计算得到微分方程组的计算结果，在计算当中A表示振幅列向量，ω表示振动的固定品，Φ表示初相位。如果ω2等于s，则可以在计算当中，将方程式（3）带入到方程式（2）当中，就可以计算得到该方程：

（[K]-S[M]）{A}=0（2-4） （5）

对方程式（5）机械能有非零解的充要条件有：

（[K]-S[M]）=0（2-5） （6）

在上述计算当中，特征值用ωi2来表示，被称为第i阶固有的频率，对应ωi2表示的特征。

2.2 模态仿真分析

利用CATIA来分析系统构成，借助计算机技术进行三维建模来分析性能，为提高分析能力、降低划分速度、复杂与专业性，在建模中还原实物可以简化对刚度的计算，然后将模型导入到ANSYS-Workbench内，划分网格区分各个单元，得到最终的数值，分别是173061个节点、76764个单元。

对自由模态进行分析，在移动前六阶刚体的频率统计接近0，证明在计算当中这个部分的振动可以忽略不计。通过计算低频区域的固有频率[2]。

在对模型研究中，分析出扭转模型，这是因为车身骨架在这里出现了明显的弯曲阵型，在该频率下研究人员发现出现存在明显的扭转振动;在第三阶固有阵型整体呈现出弯曲跡象，通过对频率模型分析，在该频率下骨架出现明显的振动情况。在整体计算中有三阶出现局部阵型情况，部分横梁弯曲。在座椅的涉及当中，因为设计需要考虑到乘坐人员的舒适体验，因此如果存在变形，将无法保证整体体验，在设计中需要考虑到底架变形的影响。通过对模态分析结果可以知道，当振动频率为53.14hz频率下底架弯曲变形最大，当振动频率为65.22hz 的时候，底架出现最大的扭转变形。

3 车架谐响应

3.1 理论

在ANSYS 的谐响应分析中，只计算d结构的稳态受迫振动，而不考虑激励发生的瞬时振动。谐响应的分析能够预测车架本身的持续动力特征，技术人员通过分析能够得到具体响应，比如位移、速度、加速度在计算的适合结构能量共振就会发生突变。在分析中如果激励荷载的频率与结构系统自振频率很接近的时候结构的变化很明显，在能量响应会出现很大突变，人们称之为能量共振。在这个过程中的能量共振幅度会受到结构阻尼的影响。如果阻尼小则共振陡峭，因此结构振幅的具体表现就越明显[3]。在计算共振的时候，不能忽视对振动的计算。阻尼在动力分析当中特征非常明显，而且也非常容易引起困惑，在动力分析中会因为本身的响动力呈现出衰减的现象，因此需要分析谐响应。在计算当中阻尼的表现就比较复杂，模型分析也很困难。借助ANSYS能够直观体现出各种特征，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 的谐响应分析能够得到正弦波下系统产生的反应，同时通过ANSYS 的谐响应分析也可以很好的计算、分期周期荷载作用下结构的受迫振动问题，这种计算方式克服了常规结构设计在计算这个方面的缺陷。

在具体的分析中需要对车身骨架进行模态分析能够得到车架结构的相关要素，但是在计算当中所有的位移其实都是归一化计算的方式，但是最终计算得到的数据有也仅仅是作为参考。为了得到车身骨架实际的振动相应，谐响应作为直观而复杂一个环节需要被重视。谐响应的表示方程式为：

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

在上述句式当中，ω表示振动角频率，Φ表示模态形状分子，F为谐荷载。

3.2 谐响应的仿真分析

通过谐响应分析求解，有两种求解方式，分别是叠加法、完全阀两种，这里主要分析完全计算得到的结果。根据车架悬架与车架连接的方式，主要将车架的连接点的位置朝着X方向、横向Y方向移动，以自由度为方向，释放垂直Z方向的移动自由度。在前后悬架连接处分别施加500N的冲击荷载。通过计算范围内的荷载情况得到车架底部的垂直震动情况。

在仿真分析中，重点记录局部最大振动峰值出现的频率，分别是38.2HZ、48.2HZ、52.2HZ、69.4HZ中，尤其是在69.4HZ位置发生了最高峰值，而且研究过程中，前文提过当振动频率为65.22hz的时候，底架出现最大的扭转变形。对于69.4HZ峰值的出现，两者非常接近很容易引起车架共振。

电机、减速主要齿轮振动产生频率是低速电动车底架振动的最主要原因，在未来的发展当中可以通过改善交通、改善电动车性能该改善目前这种情况。但是改善电动车其实是更现实的行为[4]。因此笔者建议在设计的时候可以尽可能考虑增加驱动电机与后桥连接位置的刚度、桥壳本身的刚度，从而降低减速齿轮啮合产生的变形量，可以降低振动的幅值。

4 结语

综上，文章通过研究与分析相关数据，针对当前低速电动车在设计方面应该改进的要点提出建议。在当前发展中，我国低速电动车的拥有者越来越多，出现这种情况之后，科研人员与设计人员应该思考如何在确保安全性、稳定性的前提下为乘坐人员提供更舒适的感受，从而起到更积极的作用。低速电动车车身振动因素非多，在科研过程中还可以运用多种方式来分析，分析各方面值得改进的地方，提出有效的解决方式。

参考文献：

[1]张星驰，冯国胜，张新路，等.基于有限元模型的新能源车车身静力学分析[J].汽车工程师，2019（7）：23-25.

[2]杜修全，黄则兵.基于ANSYS Workbench的红外热像仪支撑壳体静力与随机振动分析[J].商情，2019，000（018）：238-239，241.

[3]张选利，彭冬冬.基于ANSYS Workbench的橡胶材料十字形试样的设计和有限元分析[J].橡胶工业，2020，67（4）：0311-0315.

[4]杨秀鲁，刘鲁宁，王永安，等.基于ANSYS Workbench软件的圆锯片基体减振降噪设计[J].济南大学学报（自然科学版）， 2020，034（002）：163-168.