开发研究 而 轻型载货电动汽车车架的模态分析 陈伟 李军 郭超王文宾 王宏雷 （重庆交通大学机电与汽车工程学院重庆４０００７４） 摘 要：本文以三维设计软件ＣＡＴＩＡ建立某轻型载货电动汽车车架的数模，并对车架进行模态分析， 在得到车架前ｌ０阶固有频率和固有振型的基础上，将结果与汽车受到的激励频率进行对比分析，讨论 了车架与外部激励可能发生共振的情况。 关键词：电动汽车；ＣＡＴＩＡ；车架；模态分析 Ｔｈｅ Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｒｕｃｋ Ｆｒａｍｅ Ｃｈｅｎ Ｗｅｉ，Ｌｉ Ｊｕｎ，Ｇｕｏ Ｃｈａｏ，Ｗａｎｇ Ｗｅｎ Ｂｉｎ，Ｗａｎｇ Ｈｏｎｇ Ｌｅｉ （Ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏ ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ＣＡＤ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｗａｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ ＣＡＴＩＡ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ＷｏｒｋｂｅｎＣｈ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ ｇｏｔ ｔｈｅ ｔｏｐ ｔｅｎ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍｏｄａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｍａｙ ｈａｐｐｅｎ ｒｅｓ０ｎａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＣＡＴＩＡ；ｆｒａｍｅ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 引言 １、模态分析理论基础 电动汽车车架承载着电动机、蓄电池、离合器、变 汽车车架是一个多自由度结构［３】。根据振动理论， 速箱、转向器、非承载式车身和货箱等簧上质量，还承 多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现出的振动 受着传给它的各种力和力矩。汽车在行驶中常因路面不 形态称为模态。此时系统各点位移存在一定的比例关 平，车速和运动方向的变化，车轮、电动机和传动系统 系。不论何种阻尼情况，机械结构上各点对外力的响应 的不平衡，以及齿轮的冲击等各种外部和内部的激振作 都可以表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组 用而极易产生整车和局部的强烈振动。汽车的这种振动 成的各阶振型模态的叠加［４】。模态分析的核心内容是确 使汽车的动力性得不到充分的发挥，经济性变坏，同时 定描述结构系统动态特性的参数。 还影响汽车的通过性、操纵稳定性和平顺性，甚至损坏 车架作为一个多自由度系统，其运动的微分方程式 汽车的零部件和运载的货物，缩短汽车的使用寿命ＩＪ Ｊ。 为： 模态是振动系统特性的一种表征，它实为构成各种 ［Ｍ］ ）｝＋［ｃ］｛文（ｔ）｝＋［Ｋ】｛Ｘ（ｔ））＝｛Ｆ（ｔ）） （１） 工程结构复杂振动的最简单或最基本的振动形态。通过 式中：［Ｍ］、［Ｃ］和［Ｋ］分别为弹性系统的质量矩阵、 模态分析可以得到结构的固有频率和主要振型，为振动 阻尼矩阵和刚度矩阵；｛艾（ｔ）｝｛文（ｔ） ｛Ｘ（ｔ）｝分别为加速度 系统动态设计及故障诊断提供依据，同时，它也是谐响 向量、速度向量和位移向量；ｆＦ（ｔ）｝为动激励载荷向量。 应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础［２］。 在模态分析中，因结构阻尼较小，对固有频率和振 丽 译丽萌 歼发研究 犁影响甚微，故通常可忽略不计。在这种情况下，分析 冲压件，车架材料为ＳＴ１３，何２５个实体单元，采Ｈｊ壳 结构的固有频率与振型问题则转化为求解特征值与特 单元对车架进行网格划分，网格大小为３０ ｍｉｌｌ，经 格 征向量问题。因而，基本振动方程式（１）ｍ ｅｄｉｃ （ｔ）｝ 和｛Ｆ（ｔ））均为零。则得到： 化后的有限元模型如图３所示。 ［Ｍ］ （ｔ）｝＋［Ｋ］｛Ｘ（ｔ））＝０ 为： （２） （３） 自由振动时，结构上各点作简谐振动，各节点位移 ｛Ｘ（ｔ））：｛Ｘ。）ｅ川 将式（３）代入式（２）得： （［Ｋ］＿∞。［Ｍ］ 。）＝０ 量。 ＝（４） 。 （ｔ） 称为特征值，｛ｘ。｝称为对应特征值的特征向 ２ ， （５） 一 … 图３网格化的车架有限元模型 既可求得系统各阶固有频率即模态频率，固有振型 即模态振型。 ３、车架的模态分析 ３．１车架自由模态计算结果 模态分析是用于确定系统的振动特性，即结构的 有步页率和振型。结构的振动可以表达为各阶固 振型的 ２、车架ＣＡＤ数模及有限元模型 ５Ｊ。其中低阶振型对结构的动力影响程度比尚 本文所研究的车架为某公司生产的边梁式、前窄后 线性组合＿宽的变宽结构，纵梁断面为槽型，采用异形截面设计（如 阶振型人，因此，低阶振型决定ｒ结构的动态特性。小 图１，图２所示）。车架由左右纵梁、９根横梁组成，车 文计算了＿午＝架的前ｌＯ阶振型，各阶频率值及振型分别 架全长为４２００ ｆｉｌｍ，最人宽度为ｌ０００ ｍｍ，最小宽度为 见图４及表２。 ＿＿＿——．１＿，一 ８６４ ｍｍ，高度差为２００ ｍｍ。该车的整车参数如表１所示。 表１轻型载货电动汽车整车参数 外形尺寸 轴距 最小离地间隙 最小转弯半径 额定载质量 ＿，＿Ｉ＿－＿ —。。。 第１阶模态左视图 Ⅻ第２阶模态左视图 ４４９５ Ｘ １４７５ Ｘ １８１０ｍｍ ．— ２７５０ ｍｍ １６５ ｌｎｎｌ ≤９ｍ ５００ ｋｇ 第３阶模态左视图 第４阶模态左视图 理曩 第５阶模态左视图 － 最高车速 最大爬坡度 电池 ９０ ｋｍ／ｈ ≥２５％ １４４ Ｖ直流 第６阶模态左视图 ｌ辽 盎 第７阶模态左视图 第８阶模态左视图 第９阶模态左视图 第１０阶模态左视图 图４车架各阶模态振型图 ３＿２结果分析 图１车架的左视图 图２车架的三视图 本车架的第ｌ一２阶振型以整体刚性振动为主，第３ 本文以ＣＡＴＩＡ、ＡＮＡＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ设计分析软 阶振型主要是弯曲模态，最大变形量发生存 架的前 件为基础，建立车架模型并进行分析。车架板件为薄壁 部，第４．５阶振型主要是弯曲模态，最大变形晕发牛在 莉 开发研究 涵 车架的前部和后部，第６阶振型主要是侧向扭转模态， 于３０ Ｈｚ，同样不会与电动机激振频率耦合。第８、９、 最大变形量发生在车架的中部和后部，第７阶振型主要 １Ｏ阶模态频率值都大于３０ Ｈｚ，在传动轴激励频率范围 是弯曲扭转模态，最大变形量发生在车架的前部和后 之内，车架有共振的可能性。但是传动轴激励频率范围 ，而且随着车速的变化会不停的变动，因此很难 部，第８阶振型主要是弯曲模态，最大变形量发生在车 较宽［架的前部和后部，第９阶振型主要是弯曲扭转模态，最 判断其一定与车架发生共振。再者，即使共振也属于高 大变形量发生在车架的前部和后部，第１０阶振型主要 频振动，对车架结构的疲劳破坏影响也有限。综上所述， 是弯曲扭转模态，最大变形量发生在车架的前部和后 车架的前７阶模态频率都处于路面激励和电动机激励 部。 频率之间，基本上不会发生低频共振，而车架的第８、 表２车架各阶模态参数 ９、１０阶模态频率有可能与传动轴发生共振，但是高频 模态阶数 频率／Ｈｚ 振型描述 共振对车架的影响较小，所以该车架结构是合理的。 ｌ ０ 整体刚体振动 ２ ０ 整体刚体振动 ４、结论 ３ ８．２．５３１ 纵向弯曲 ４ １Ｏ．０ｌ１ 纵向弯曲 本文对轻型载货电动汽车车架进行了模态分析，得 ５ １４．０９４ 纵向弯曲 到了前ｌ０阶固有频率和振型，并对共振情况进行了讨 ６ ２０．４１２ 侧向扭转 论，车架的前７阶模态频率基本上不会发生低频共振， ７ ２６．７１３ 弯曲扭转 而第８、９、１０阶模态频率有可能发生高频共振，但是 ８ ３３．０５３ 纵向弯曲 高频共振的影响较小。该计算结果为车架结构的改型设 ９ ４１．９７８ 弯曲扭转 计以及同类车型的开发设计提供了参考和依据，为进一 １０ ５３．８３４ 弯曲扭转 步研究振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础。 电动汽车的激励一般分为路面激励，电动机激励， 传动轴激励＿６Ｊ。因此首先了解这些激励的频率是分析的 参考文献 基础。各种激励的频率分析如下： ［１］李英平．汽车车身模态分析实例研究．汽车技术，２００７：１～４ （１）路面激励一般由道路条件决定，目前在高速 ［２］梅玮，谢世坤．轻型载货汽车边梁式车架的模态分析．机 公路和一般城市较好路面上，激励频率一般在１￣３Ｉ－Ｉｚ 电产品开发与钏新．２００５ 之间。 ［３］叶勤．轻型载货汽车车架有限元分析与优化［Ｄ］．武汉：武 （２）此电动车用的电动机的激励频率为３０￣５０ 汉理工大学．２００７ Ｈｚ。 ［４］芦伟．重型载货汽车车架模态分析．汽车科技，２００９ （３）城市中一般车速在４０￣８０ ｋｍ／ｈ之间，高 ［５］Ｍｕｎｄｏ Ｄ，ＨａｄｊｉｔＲ．Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆＪｏｉｎｔｓ ａｎｄ Ｂｅａｍｌｉｋｅ 速公路上车速一般在９０ ｋｍ／ｈ左右。传动轴的不平衡 Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｂ１Ｗ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏｎｃｅｐｔ Ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ 引起的振动的频率大于３０ Ｈｚ以上。 Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ 由表ｌ可以看出，车架的固有振型有两种：１、车 Ｄｅｓｉｇｎ，２００９，４５６—４６２ 架的整体振动，２、车架的局部振动。前ｌＯ阶模态频 ［６】张立军，余卓平，靳晓雄，等．汽车整车及零部件试验模态 率分布在８－－５０ Ｈｚ，以整体振型为主，其中前５阶模 分析。２００９年第８期 态频率分别为８．２５３ｌ、１０．０１ｌ、１４．０９４，都位于路面的 ［７］Ｈｉｄｅｋａｚｕ Ｎｉｓｈｉｇａｋｉ．Ｆｉｒｓｔ Ｏｒｄｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｂｏｄｙ 激励频率和电动机的激振频率之问，所以车架在低阶频 Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｎｇ 率下不会出现共振现象。第６、７阶模态频率值也都小 Ｕｓｉｎｇ Ｅｘｃｅｌ［Ｊ］．Ｒ＆Ｄ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆＴｏｙｏｔａ ＣＲＤＬ．２００６（３７） ▲ 厕 草丽萌
