沙灘車動力總成懸置系統模態分析及優化

朱紅霞, 樓貴東, 卓耀彬, 柳維好, 游張平, 江潔

（1.浙江濤濤車業股份有限公司，浙江 麗水323000；2.麗水學院 工學院，浙江 麗水323000）

0 引言

本文所述的新型沙灘車[1-2]動力總成包括發動機、齒輪減速箱和發電機等元部件，其安裝在懸置支架上。區別于舊款車型的剛性聯接方式，動力總成懸置支架通過4個橡膠緩沖套筒[3]柔性安裝在車身框架上，緩沖套筒起到減低和隔離動力總成振動的作用，從而提高駕駛的舒適度。

由于慣性和氣體壓力等因素，發動機在運轉時會產生周期性振動，從而激發車身框架的振動，降低駕駛的舒適性。當沙灘車處于怠速狀態時，發動機的振動則是引起車身振動的主要激振源。因此，本文對動力總成、懸置支架和車身框架構成的系統進行結構模態分析[4]，尋找系統的共振頻率及結構薄弱環節，并針對薄弱環節，提出對應的優化方法。動力總成懸置系統模態分析結果有助于優化發動機的轉速控制策略，為后續動力學分析和減振優化提供依據。

1 動力總成懸置系統模態分析

本文應用Abaqus[5]軟件進行動力總成懸置系統的模態分析及優化。

1.1 動力總成懸置系統模型

新型沙灘車整車系統包括動力總成、車身、前輪、后輪、懸架、轉向等部分，如圖1所示。基于分析動力總成對車身振動影響的目的，首先建立動力總成懸置系統簡化的三維實體模型，再導入Abaqus軟件，形成動力總成懸置系統有限元分析模型如圖2所示。此模型忽略了車輪、轉向、懸架等結構部分，保留動力總成、車身框架、懸置支架和緩沖套筒等關鍵結構。由于動力總成真實結構復雜，為了提高計算效率，對其作相應簡化處理。

圖1 新型沙灘車

圖2 動力總成懸置系統有限元模型

1.2 材料定義和網格劃分

車身框架、懸置支架和動力總成等材質為碳鋼，緩沖套筒夾層材質為氫化丁腈橡膠[6]，各材料的物理特性參數如表1所示。網格類型采用十結點二次四面體單元C3D10。對緩沖套筒等聯接處進行網格細化處理，如圖2所示。

表1 各材料物理特性參數

1.3 建立分析步

動力總成懸置系統通過懸架系統浮動支撐在前、后車輪之上，因此對分析模型不施加任何固定約束。由于發動機最高轉速為7500 r/min，對應最高諧波振動頻率為125 Hz，因此建立線性攝動-頻率分析步，頻率提取范圍設為1～150 Hz。

1.4 模態分析結果

表2 動力總成懸置系統模態分析結果

動力總成懸置系統模態分析結果如表2所示。

第1階模態頻率為57.71 Hz，其振型如圖3所示，這是由于動力總成支撐方式類似于懸臂梁結構，且聯接處橡膠的剛性較弱，易引起動力總成側向傾倒。

圖3 第1階模態振型

第2階模態頻率為74.047 Hz，其振型如圖4所示，這是由于裝配工藝需求，車身框架高度方向存在五邊形孔結構，且在五邊形孔的上端剛性較弱，易引起車身框架在此方向上的上下竄動。

圖4 第2階模態振型

第3階模態頻率為104.05 Hz，其振型如圖5所示，這是由于車身框為窄長型，在長度方向剛性較弱，易引起車身框架前后扭轉。

第4階模態頻率為133.89 Hz，其振型如圖6所示，這是由于橡膠的剛性較弱，動力總成質量較大，易引起動力總成整體向下竄動。第5階模態頻率為137.45 Hz，其振型如圖7所示，其頻率值與第4階模態相近，形成原因也類似。

圖5 第3階模態振型

圖6 第4階模態振型

圖7 第5階模態振型

從以上各階模態振型與活塞運動方向來分析，第3階模態振動方向與活塞運動方向相近，易引起車身框架的共振，是懸置系統結構的薄弱環節，應予以加強，對應發動機轉速約為4443 r/min，應避免發動機長期工作在此轉速附近。第4、5階模態頻率超過發動機最高工作頻率約8%，影響較小。

2 動力總成懸置系統優化分析

2.1 車身框架優化

如圖4所示，車身框架的五邊形孔結構是整個懸置系統的薄弱環節，針對此薄弱環節，對車身框架進行結構優化處理，在五邊形孔上下方向增加兩個加強桿，從而增加車身框架在此方向上的剛度，如圖8所示。

圖8 動力總成懸置系統優化后有限元模型

2.2 系統優化前后模態分析結果對比

保持車身框架、懸置支架、動力總成、緩沖套筒夾層等材質不變，系統的邊界約束條件也不變，優化后的動力總成懸置系統模態分析結果如表3所示。

由表2和表3的對比可以看出優化前后動力總成懸置系統模態的變化情況如下：

1)第1、4和5階系統模態由于和車身框架剛度關聯性不大，所以優化前后變化不大。

2)由于車身框架剛度的提高，優化后的第2階模態頻率提高到92.473 Hz，其振型如圖9所示，與優化前模態振型（如圖4）對比可知，由于車身框架剛度較好，優化后振動主要表現在動力總成的上下竄動方面，車身框架并沒有隨之發生大的位移變化，可見車身框架的結構優化達到了較好的效果。

表3 優化后動力總成懸置系統模態分析結果

圖9 優化后第2階模態振型

3)優化后的第3階模態頻率提高到112.80 Hz，其振型如圖10所示，與優化前模態振型（如圖5）對比可知，優化前后的振型基本不變，只是由于整體剛度提高，模態頻率提高了約8.75 Hz。

圖10 優化后第3階模態振型

3 結論

1）建立包括動力總成、車身框架、懸置支架和緩沖套筒等關鍵結構的新型沙灘車動力總成懸置系統有限元分析模型。

2）計算得到發動機最高工作頻率范圍內的共5階模態頻率和振型，并分析各階模態振型形成的原因。

3）分析得第3階模態振動方向與活塞運動方向相近，易引起車身框架的共振，是懸置系統結構的薄弱環節，針對此薄弱環節，對車身框架進行優化，通過優化前后的懸置系統模態分析結果的對比分析，優化達到較好的效果。

4）動力總成懸置系統模態分析結果為發動機控制策略優化提供參考，也是后續的動力總成懸置系統動力學分析和減振優化的基礎。