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，對汽車NVH性能有非常大的影響。本文運用SolidWorks對現(xiàn)有懸架系統(tǒng)模型進行簡化，后通過ANSYS Workbench平臺進行有限元分析，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。

近年來專家學(xué)者對汽車懸架系統(tǒng)，特別是半主動和主動懸架進行了大量的研究。劉猛和張麗萍[1]通過MATLAB仿真分析了車架的參數(shù)對汽車性能的影響。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)阻尼對汽車振動的影響，驗證了某全地形車輛懸架系統(tǒng)阻尼設(shè)計的合理性。任成龍和張雨[3]建立了隨機激勵作用下的單自由度汽車懸架系統(tǒng)模型，并通過振動試驗，獲取了試驗汽車懸架系統(tǒng)的振動曲線。岳書常等[4]建立了二自由度懸架系統(tǒng)非線性動力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了激勵幅值對懸架系統(tǒng)非線性振動的影響。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對現(xiàn)有模型進行優(yōu)化，通過ANSYS Workbench平臺對建立的汽車懸架模型進行模態(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，進行模態(tài)分析的求解計算。

各零件的材料參數(shù)見表1。

（2）對彈性元件進行模態(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，節(jié)點129826個，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)振型見圖1。

（3）對減震器進行模態(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，節(jié)點14643個。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)振型圖見圖2。

（4）對導(dǎo)向機構(gòu)進行模態(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，節(jié)點31581個。在導(dǎo)向機構(gòu)左端和右端施加固定約束。

導(dǎo)向機構(gòu)前十二階固有頻率如表4所示。

導(dǎo)向機構(gòu)部分模態(tài)振型圖見圖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，因為實際生活中很難達到，暫時不予考慮。比較各零部件間的各階固有頻率，沒有發(fā)現(xiàn)存在相同的固有頻率，所以該汽車懸架系統(tǒng)各零部件間不會發(fā)生共振。對懸架系統(tǒng)進行模態(tài)分析可以有效避免共振，為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，同時也為后續(xù)動態(tài)特性的分析做了鋪墊。

參考文獻：

[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的全地形車輛被動懸架動力學(xué)分析[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2019，48（01）：39-45.

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

[4]岳書常，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（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)計及研究[J].時代汽車，2017（20）：69-70.

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

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