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 于一冰，李耀剛，琚立穎，萬(wàn)國(guó)睿，馮  澤

 （華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北  唐山  063009）

摘要：根據(jù)某純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)架三維模型，應(yīng)用ANSYS Workbench建立其有限元模型，并進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，得到其固有頻率。將模態(tài)分析作為基礎(chǔ)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為激勵(lì)；分析車(chē)架的諧響應(yīng)。分析得到位移頻率曲線(xiàn)，進(jìn)而得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車(chē)架發(fā)生共振的部位，并提出兩種解決方案。經(jīng)驗(yàn)證，只有在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車(chē)架之間安裝橡膠減振器，才能使位移幅值大幅度減小，達(dá)到減振的目的。

關(guān)鍵詞：車(chē)架；ANSYS Workbench;諧響應(yīng)中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7：U463. 32

0  引言

 隨著環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，純電動(dòng)公交車(chē)開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注，國(guó)內(nèi)也將大力發(fā)展純電動(dòng)公交車(chē)。車(chē)架承受著純電動(dòng)公交車(chē)的整體質(zhì)量，其剛度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足使用要求關(guān)系到整車(chē)性能的好壞。雖然純電動(dòng)公交車(chē)行駛在城市路面上，路況良好，但是對(duì)其乘坐舒適性要求較高，因此需要對(duì)車(chē)架的共振進(jìn)行研究。本文應(yīng)用ANSYS Workbench軟件分析純電動(dòng)公交車(chē)

車(chē)架的模態(tài)和諧響應(yīng)，并考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)，提出避免共振的方法。

1  純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)架有限元模型的建立

 純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)架是由材料為Q345的方鋼焊接而成的空間鋼架結(jié)構(gòu)，空間關(guān)系比較復(fù)雜，存在多變的斷面形式。首先，應(yīng)用Cre/o軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行三維建模并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略車(chē)架上的一些非承載件和裝飾件并簡(jiǎn)化部分梁截面形狀；然后將建立的三維模型另存為．STP格式，利用ANSYS Workbench提供的．STP接口導(dǎo)入，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)車(chē)架的總體尺寸，選取網(wǎng)格單元尺寸為20 mm進(jìn)行劃分，車(chē)架被離散為1 449 338個(gè)節(jié)點(diǎn)、508 114個(gè)單元。最終建立的公交車(chē)車(chē)架有限元模型如圖1所示。

2純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)架有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析

 本文考慮了車(chē)架滿(mǎn)載彎曲工況下的靜力學(xué)分析結(jié)果，采用有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，該方法更加貼近實(shí)際情況，能夠更好地反映車(chē)架的固有頻率及振型。由于純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)架屬于中大型模型，對(duì)比模態(tài)的7種提取方法以及車(chē)架的實(shí)際情況，采用具有高效性的Lanczos法提取車(chē)架的模態(tài)，該方法不僅節(jié)省磁盤(pán)空間，而且在計(jì)算過(guò)程中幾乎不丟根。此模態(tài)分析是作

為諧響應(yīng)分析的數(shù)據(jù)參考，因此在A(yíng)NSYS Work-bench軟件中，模態(tài)分析時(shí)提取前20階模態(tài)，其固有頻率見(jiàn)表1，第1階和第2階模態(tài)振型圖如圖2所示。

3在驅(qū)動(dòng)電機(jī)激勵(lì)下的諧響應(yīng)分析

 由于純電動(dòng)公交車(chē)始終在城市的較好路面上行駛，因此僅研究由驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的激勵(lì)載荷。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)在豎直方向上的慣性力為2 750 N，這即是載荷的邊界條件。

 將有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果作為數(shù)據(jù)參考，對(duì)車(chē)架進(jìn)行諧響應(yīng)分析。將分析設(shè)定(Analysis Settings)中的上限頻率值設(shè)定為60 Hz，下限頻率值設(shè)定為0 Hz，子步數(shù)為60，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的托架上施加垂直的力載荷2 750 N。根據(jù)模態(tài)分析取得所要研究的節(jié)點(diǎn)：第1點(diǎn)位于駕駛室前最左端橫梁處；第2點(diǎn)位于后車(chē)輪坐人變形大處；第3點(diǎn)位于減震器與懸架接觸點(diǎn)處。通過(guò)計(jì)算，得到以上3點(diǎn)的位移頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖3所示。

 由圖3可知，在頻率為31 Hz、36 Hz、53 Hz處出現(xiàn)位移最大值，分別與第7階、第10階和第16階固有頻率基本對(duì)應(yīng)，因此在此頻率下已達(dá)到共振，并且振動(dòng)很厲害，最大值達(dá)到8. 935 2 mm，會(huì)對(duì)乘客產(chǎn)生不適感，影響乘坐舒適性。產(chǎn)生此現(xiàn)象的首要因素是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)架之間沒(méi)有任何減振措施，是剛性連接的。

4  車(chē)架的減振研究

 通常的減振方法有3種：抑制振源強(qiáng)度、隔振和消振。對(duì)于純電動(dòng)公交車(chē)而言，因其行駛的路面是固定的，因此采用抑制振源強(qiáng)度與實(shí)際情況不符。隔振與消振可以統(tǒng)稱(chēng)為減振，其最終目的是減小振體的強(qiáng)度。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)架之間產(chǎn)生共振，那么首先應(yīng)考慮修改車(chē)架的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)避開(kāi)共振頻率。采用增加車(chē)架方鋼厚度的方法，將厚度3 mm修改為厚度5 mm。在其他約束與載荷條件不變的情況下，分析修改車(chē)架方鋼厚度后車(chē)架的前20階模態(tài)，分析結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比表1和表2可知，頻率值增大的幅度并不大，并沒(méi)有避開(kāi)共振頻率，并且影響到車(chē)輛的輕量化，因此該方法不可行。

 橡膠減振器具有形狀可變、可調(diào)，并且兼具良好的減振、隔音和緩沖效果，因此采用橡膠減振器對(duì)車(chē)架與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行隔振。安裝減振器后再進(jìn)行車(chē)架的諧響應(yīng)分析，取得感興趣的第3點(diǎn)的位移頻率曲線(xiàn)，如圖4所示。各點(diǎn)的位移響應(yīng)對(duì)比如表3所示。

  由圖4和表3可知，安裝橡膠減振器后，在很大程度上減小了位移響應(yīng)幅值，增加了乘坐舒適性，并且能夠提高車(chē)架的疲勞壽命。

5結(jié)語(yǔ)

 通過(guò)對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)架的有限元建模及模態(tài)分析，取得了前20階固有頻率。在以驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為簡(jiǎn)諧激振力的情況下，對(duì)車(chē)架進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車(chē)架產(chǎn)生共振的頻率。為避免共振的發(fā)生，提出了兩種解決方案，改變車(chē)架方鋼厚度的減振方法經(jīng)驗(yàn)證并不能達(dá)到減振的效果，而在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車(chē)架之間安裝橡膠減振器，經(jīng)驗(yàn)證可以有效地減小共振的幅值，提高車(chē)架的疲勞強(qiáng)度。