基于ANSYSWorkbench的汽車懸架系統(tǒng)的仿真分析

陳海清　袁超　王明杰　張子豪

摘 要：NVH性能是用戶對(duì)汽車品質(zhì)最直觀的感受。懸架系統(tǒng)是保證汽車穩(wěn)定性與操縱性的重要零部件，對(duì)汽車NVH性能有非常大的影響。本文運(yùn)用SolidWorks對(duì)現(xiàn)有懸架系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，后通過(guò)ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行有限元分析，求出了各主要零件的固有頻率和振型，確定了各零件不發(fā)生共振，為懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ANSYS Workbench;懸架系統(tǒng);有限元仿真;固有頻率

0 引言

NVH性能是用戶對(duì)汽車品質(zhì)最直觀的感受。懸架系統(tǒng)是保證汽車穩(wěn)定性與操縱性的重要零部件，對(duì)汽車NVH性能有非常大的影響。這就要求汽車的懸架系統(tǒng)既要有良好的減震性能又要有良好的導(dǎo)向特性。

近年來(lái)專家學(xué)者對(duì)汽車懸架系統(tǒng)，特別是半主動(dòng)和主動(dòng)懸架進(jìn)行了大量的研究。劉猛和張麗萍[1]通過(guò)MATLAB仿真分析了車架的參數(shù)對(duì)汽車性能的影響。孫峰等[2]建立了某全地形車輛前懸架系統(tǒng)的三維模型，分析了懸架系統(tǒng)阻尼對(duì)汽車振動(dòng)的影響，驗(yàn)證了某全地形車輛懸架系統(tǒng)阻尼設(shè)計(jì)的合理性。任成龍和張雨[3]建立了隨機(jī)激勵(lì)作用下的單自由度汽車懸架系統(tǒng)模型，并通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)，獲取了試驗(yàn)汽車懸架系統(tǒng)的振動(dòng)曲線。岳書(shū)常等[4]建立了二自由度懸架系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了激勵(lì)幅值對(duì)懸架系統(tǒng)非線性振動(dòng)的影響。沈祖英[5]研究了某輕型越野汽車的懸架系統(tǒng)，建立了懸架系統(tǒng)模型的基本數(shù)學(xué)方程。

本文研究的是汽車懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有限元分析，以奔馳雙橫臂懸架系統(tǒng)模型為例，利用SolidWorks對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)ANSYS Workbench平臺(tái)對(duì)建立的汽車懸架模型進(jìn)行模態(tài)分析，確定了懸架系統(tǒng)各零件間不發(fā)生共振，為汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 汽車懸架系統(tǒng)的模態(tài)分析

（1）汽車懸架系統(tǒng)由彈性元件、減震器以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等部分組成。以SolidWorks建立懸架系統(tǒng)主要零部件的三維模型，并導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。設(shè)置各零部件材料參數(shù)，采用自由網(wǎng)格劃分方法，設(shè)定邊界條件，進(jìn)行模態(tài)分析的求解計(jì)算。

各零件的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）對(duì)彈性元件進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)置材料為丁苯橡膠，采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分單元75294個(gè)，節(jié)點(diǎn)129826個(gè)，在彈性元件輪轂處施加固定約束。

彈性元件前十二階固有頻率如表2所示。

彈性元件部分模態(tài)振型見(jiàn)圖1。

（3）對(duì)減震器進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)置材料為60CrMnA，采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分單元5296個(gè)，節(jié)點(diǎn)14643個(gè)。在減震器上端和下端施加固定約束。

減震器前十二階固有頻率如表3所示。

減震器部分模態(tài)振型圖見(jiàn)圖2。

（4）對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)置材料為結(jié)構(gòu)鋼，采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分單元17975個(gè)，節(jié)點(diǎn)31581個(gè)。在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)左端和右端施加固定約束。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前十二階固有頻率如表4所示。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)部分模態(tài)振型圖見(jiàn)圖3。

2 結(jié)論

由分析結(jié)果可以看出，彈性元件的前十二階固有頻率在239Hz-320Hz，減震器的前十二階固有頻率在35Hz-126Hz，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的前十二階固有頻率在36Hz-935Hz，至于更高階的固有頻率，因?yàn)閷?shí)際生活中很難達(dá)到，暫時(shí)不予考慮。比較各零部件間的各階固有頻率，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在相同的固有頻率，所以該汽車懸架系統(tǒng)各零部件間不會(huì)發(fā)生共振。對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析可以有效避免共振，為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)動(dòng)態(tài)特性的分析做了鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉猛，張麗萍.基于Matlab汽車懸架的參數(shù)仿真剖析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（23）：192-194.

[2]孫峰，張思崇，戴磊等.基于MATLAB的全地形車輛被動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2019，48（01）：39-45.

[3]任成龍，張雨.汽車懸架振動(dòng)的混沌特性[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24（02）：198-201.

[4]岳書(shū)常，許英姿，劉燦昌等.基于線性控制參數(shù)的非線性汽車懸架最優(yōu)控制[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，40（06）：1372-1380.

[5]沈祖英.輕型越野汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究[J].時(shí)代汽車，2017（20）：69-70.

[6]郭昊維，陳長(zhǎng)征.某純電動(dòng)汽車減速器模態(tài)分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2018，38（S2）：388-391.

作者簡(jiǎn)介：陳海清（1981-），男，山東利津人，工程師，研究方向：汽車底盤(pán)系統(tǒng)零部件仿真分析。