四輪轉向電動汽車車架的設計與有限元分析

劉賀，董皓，張君安

（西安工業大學機電學院，陜西 西安 710021）

四輪轉向電動汽車車架的設計與有限元分析

劉賀，董皓，張君安

（西安工業大學機電學院，陜西 西安 710021）

現有電動汽車底盤普遍為在傳統汽車的基礎上進行的改進，不能很好的適應電動汽車特有的結構，為更好的實現四輪轉向的功能，重新設計了適合四輪轉向電動汽車的車架。應用三維軟件SolidWorks，通過整車虛擬裝配確定了合理的四輪轉向電動汽車的車架結構，進而建立了車架的三維模型。運用有限元分析理論，將模型導入Ansys Workbench軟件后，建立了車架的有限元模型，對車架在彎曲和扭轉工況下的靜態結構性能進行了分析，得出相應工況下的應力和應變大小；還進行了模態分析,避免了共振。在滿足強度和剛度的條件下對車架結構進行了改進，并通過焊接加工得到了適合四輪轉向電動汽車的車架，對以后電動汽車底盤的改進設計提供了參考。

四輪轉向電動汽車車架；SolidWorks；有限元分析；Ansys Workbench；焊接加工

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-40-04

引言

為了應對世界能源緊缺、環境惡化的難題，近年來傳統汽車開始向以電動汽車為代表的新型汽車的方向發展[1]。車架是汽車各總成的安裝基體，它的功能是將發動機、底盤、車身等總成連成一輛完整的汽車。在行駛中，它不但要承受汽車各總成的質量和有效載荷，而且還要承受行駛時所產生的各種靜載荷和動載荷[2]。因而，車架的強度和剛度在汽車的總體設計中顯得尤為重要。根據電動四輪轉向汽車的結構特點，通過SolidWorks虛擬裝配已有的零件，確定了車架的結構形式和基本尺寸，通過Ansys對車架進行有限元分析，

確定了車架強度和剛度的合理性，然后加工出了車架，為以后電動汽車車架的設計流程提供了參考依據。

1、車架設計

該四輪轉向電動汽車是滿載2人，最高車速為40KM/H的微型電動汽車，前、后橋均采用麥佛遜獨立懸架，選用齒輪齒條式轉向器，制動系統采用盤式制動器；驅動系統為通過車載電源帶動電機，前輪驅動。為實現以上功能，必須單獨設計該車的車架，并在車架前后部分設計相應的懸架支撐安裝點[3]，以及各部件的連接點，用以安裝底盤各零部件。

該車架為框架式結構，主要由橫梁和縱梁構成。該車架長2160mm，寬800mm，軸距1800mm；采用的材料是型號為[8/Q235的槽鋼。運用SolidWorks建立各零件的三維模型，在各零件運動不干涉的前提下，確定了車架的具體尺寸，裝配后的車架實體模型如圖1所示。

2、車架的有限元模型

將SolidWorks建立的車架的三維模型導入Ansys Workbench中，定義分析的類型為static structural。槽鋼的材料為Q235，對應的Ansys Workbench中默認的材料為structural steel，力學性能參數為：彈性模量E為2e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3，屈服極限為235MPa。車架模型通過connection命令，自動成為一個整體，然后通過mesh智能網格，選擇粗糙度為coarse，快速而高效的為車架劃分網格[4]，劃分完網格的車架有限元模型如圖2所示。

3、車架靜態分析

有限元結構靜力分析的成熟商業軟件很多，但是它們依賴的基本方程都可以表示為：

式中：[K]—經過約束處理的整體剛度矩陣；

{D}—待求解的整體位移向量；

{P}—與待求解的整體位移向量對應的載荷向量。

對車架進行結構分析時，不僅要有網格質量好的有限元網格和符合實際結構的模型，而且還要定義載荷工況和邊界條件[5]。

根據車架的工作情況，進行載荷和約束條件的定義。根據靜力等效原則，分別將車身，駕乘人員，電池和電機等部件的重量轉化為等效載荷施加于車架相應的受力位置上，各部分的質量和約束條件如表1，表2所示。

表1 載荷約束條件

表2 邊界約束條件

3.1 車架彎曲工況分析

在定義完載荷和邊界約束條件之后，對車架求解，可得到車架總體變形位移和彎曲應力分布圖，如圖3a，圖3b所示。

通過有限元計算彎曲工況時，車架承受的質量和載荷要乘以一定的動載荷系數，方向豎直向下，以模擬汽車在良好

路面下勻速直線行駛時的應力分布和變形情況，并進行汽車車架結構的強度和剛度校核。現有的研究表明，在對車架彎曲工況進行模擬時，最大動載荷系數以不超過2.5 為宜[6]，為了安全起見本文選擇動載荷系數為2.5。

從圖3位移云圖中可看出車架的最大相對位移為0.7634mm出現在橫梁上，車架其余位置變形較小，說明車架的剛度能滿足設計要求；從圖4整體應力云圖上可看出加載點應力變化較大，最大值為48.144MPa，遠小于槽鋼的屈服極限235MPa，說明車架的強度滿足使用要求，且有較大的強度裕量。

3.2 車架扭轉工況分析

汽車遭受最劇烈的扭轉工況一般在低速通過崎嶇不平路面時發生。這種扭轉工況下的動載，在時間上變化的緩慢，所以慣性載荷很小，最大動載荷系數以不超過1.3 為宜。車架的位移云圖如圖5所示，最大位移發生在懸架支架的頂點上，相對位移為0.54962mm，應加強懸架的強度；應力云圖如圖6所示，最大應力發生在縱梁和立柱的連接處，應力值為43.048MPa，故應加強連接處焊接的強度。

4、車架模態分析

結構動力學有限元分析的實質就是將一個彈性連續體的振動問題，離散為一個以有限個節點位移為廣義坐標的多自由度系統的振動問題，其運動可以表示為：

式中，[M]表示構件的總體質量矩陣；

[K]表示構件的總體剛度矩陣；

{x} 表示節點位移列陣；

式（4-1）的解可以假設為如下形式：

式中，{φ}為 n 階向量；ω 是向量φ的振動頻率；t是時間變量；t0是由初始條件確定的時間常數。

將式（4-2）代入式（4-1）得到如下特征方程：

求解方程（4-3）可以確定φ和ω ，可以得到n個特征

其中，特征值ω1,ω2,...ωn代表構件的n個固有頻率，或稱為特征頻率，并且滿足0≤ω1<ω2...<ωn

特征向量φ1，φ2，...φn代表構件的n個固有振型，對應的幅值可以按照下式確定：

這樣確定的固有振型又稱為正則振型，與固有頻率對應的特征向量稱為模態形狀。當構件振動時，在任意時刻，構件的形狀為它的各階模態的線性組合[7]。

表3 車架前10階模態和最大位移

模態分析是動態分析的基礎[8]，設計電動汽車車架時，不僅需要考慮車架應有的強度和剛度，還需保證汽車合理的振動特性。通過對車架進行模態分析可以掌握車架對激振力的影響，從而發現結構的薄弱環節和不足之處，為車輛的開發提供依據。

運用Ansys Workbench對車架進行了自由模態分析，分

析中忽略外部載荷，提取車架的前10階振型，結果如表3所示。

通過車架結構的模態分析可以看出：

（1）從位移變形看，前10階最大位移都在10mm以內，表明車架的剛度良好；

（2）自由模態分析的前6階為剛度模態，頻率基本為0，但因為施加了重力約束，頻率有所改變，未發生彎曲和扭轉變形；從第7階以后為結構模態，車架在第9階模態振型中，變形屬于彎扭聯合作用振型，最大位移雖不大，但振型不光滑。

5、焊接加工

通過虛擬裝配確定了車架裝配結構的合理性，通過Ansys有限元分析，確定了車架強度和剛度的合理性，之后設計了各個連接點的結構，根據分析所用的槽鋼，最后通過焊接加工得到了車架，在懸架支架上設置了加強筋，提高了支架的強度，還加強了危險連接處的焊接強度，車架初步裝配結果如圖11所示。

6、結語

（1）通過SolidWorks的虛擬裝配確定了車架合理的裝配結構，選取合適的配件之后，可以進行合理的裝配；

（2）Ansys的靜態分表明車架的強度和剛度遠小于材料的屈服極限，但強度裕量較大，后期有很大的改進和減小自重的空間；車架結構存在應力集中現象，通過在懸架安裝點上加加強筋和加強焊接強度的措施，可以使車架的危險點的強度增大；

（3）電動汽車主要是為了適應復雜的城市工況，行駛的路面較平順，此類路面對汽車產生的外界激振頻率一般低于5Hz甚至有的低于3Hz，結構模態的頻率大于此頻率，不會發生共振；而驅動電機的激振頻率一般在20～3000Hz[9]，與車架的各階固有頻率有重合，但車架位移變化量不大，所以對乘員的舒適性影響不大。

（4）最后通過焊接加工出了車架的整體結構，采用設計、分析校核、加工制造的試制程序，為以后電動汽車車架的進一步改進制造提供了參考。

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光．現代電動汽車技術[M]．北京：北京理工大學出版社，2002.

[2]龔微寒. 汽車現代設計制造[M].北京:人民交通出版社，1995.8.

[2][3]邵超城，劉強，龍飛永.純電動汽車車架設計及有限元分析[J].機械設計與制造，2011(8)：39～41.

[4]呂建國，康士廷.ANSYS Workbench 14有限元分析自學手冊[M].人民郵電出版社，2013.

[5]劉楊.電動觀光車車架結構分析及優化設計[D].吉林大學，2007.

[6]馮國勝. 客車車身結構的有限元分析[J]. 機械工程學報，1999,35(1):91～95.

[7]張阿玲.一種電動汽車車身、車架結構設計及其性能優化[D].山西：中北大學，2012.

[8]黃超群，來飛.重型貨車車架模態分析與試驗研究［J］.山東交通學院學報，2011，19（1）：1-4.

[9]何鵠環，永磁有刷直流電動機電磁振動與噪聲的分析[D].上海交通大學，2012:64-100.

Designing and finite element analysis of four wheel steering electric vehicle

Liu He, Dong Hao, Zhang Jun’an
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an Technological University, Shaanxi Xi’an 710021)

The existing electric vehicle’s chassis is generally improved on the basis of traditional automobiles, which can’t adapt to the special structure of electric vehicles, for the better realization of the four wheel steering function , redesigned the frame for four wheel steering electric vehicle. Using the three-dimensional software SolidWorks identified the four-wheel steering electric vehicle’s reasonable frame structure through virtual assembly, thereby established a three-dimensional model of the frame. Then the model was imported into Ansys Workbench software, established the finite element model of

Four-wheel steering electric vehicle frame; SolidWorks; Finite Element Analysis; Ansys Workbench; Welding process

U462.2

A

1671-7988(2014)10-40-04

劉賀，碩士研究生，就讀于西安工業大學機電學院，研究方向為機械工程。

the frame by the theory of finite element analysis, the frame’s static structure properties were analyzed to get the stress and strain under the corresponding condition of bending and torsion ; also carried on the modal analysis to avoid the resonance. The frame structure was improved to meet the conditions of the strength and stiffness, and obtained the electric vehicle’s frame by welding process which suitable for four-wheel steering.