李博陽　潘嘉倫　崔宇昊

摘 要：文章基于低速電動車車身振動參數(shù)研究對于當前行業(yè)發(fā)展的重要性進行分析，以某低速電動車為主要研究對象，分析車身骨架的振動影響因素，且對其進行分析和總結，通過對其進行模態(tài)的分析、諧響應分析等，針對具體研究參數(shù)分析提高電動車舒適性的重要性。文章通過分析影響車身振動的主要因素，分析車架模態(tài)，以及車架諧響應情況，通過實驗得到具體結果，從而為研究提供科學合理的參考數(shù)據(jù)。

關鍵詞：ANSYS-Workbench 低速電動車 振動 參數(shù)

Research Data of Low-speed Electric Vehicle Body Vibration based on ANSYS-Workbench

Li Boyang，Pan Jialun，Cui Yuhao

Abstract：This article analyzes the importance of low-speed electric vehicle body vibration parameters for the current industry development. Taking a low-speed electric vehicle as the main research object， the article analyzes the vibration influence factors of the body frame， and analyzes and summarizes them， carrying out modal analysis， harmonic response analysis， etc.， and analyzing the importance of improving the comfort of electric vehicles for specific research parameters. The article analyzes the main factors that affect the vibration of the vehicle body， analyzes the frame mode and the harmonic response of the frame， and obtains specific results through experiments， so as to provide scientific and reasonable reference data for the research.

Key words：ANSYS-Workbench， low-speed electric vehicles， vibration， parameters

低速電動車經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)逐漸強大，尤其是最近幾年以來電動車數(shù)量猛增，尤其是在三線、四線城市地區(qū)，加上廣袤的農(nóng)村地區(qū)，低速電動車銷量增加，也為地方經(jīng)濟和交通的發(fā)展做出了貢獻。在生活中常見的低速電動車主要是退休老人出門代步的主要工具，同時還作為景區(qū)游覽車存在，四度電動車乘坐舒適度也提出了更多要求。在傳統(tǒng)領域內(nèi)燃油汽車對NVH的研究已經(jīng)比較全面，但是驅(qū)動電機作為主要能源的純電動汽車的研究進展并不順利，文章對其進行了具體研究。

1 車身振動因素分析

1.1 車架材料、結構

低速電動車車架材料很多，常用材料有碳素結構鋼，如Q235，該材料與舊標準GB700-79牌號中的A3、C3鋼相當，在使用過程中可以不經(jīng)過熱處理就可以使用;Q345是一種低合金鋼，主要運用在橋梁、船舶、建筑、壓力容器等。除此之外還有16mn等。作為常用來制作車架材料的鋼結構，本身結構材料種類就非常多。低速電動車在生產(chǎn)完畢之后投入到市場中，車身剛度與阻尼等均會對車架本身早晨剛影響，彼此之間相互聯(lián)系。在這種情況下為了提高設備的性能保證人們出行舒適度，則可以優(yōu)化車架結構來防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象影響人們的出行體驗[1]。本文的研究方向主要是針對車架性能的研究：

1.2 振動荷載激勵

路面激振：主要是因為路面不平出現(xiàn)的激振，這是因為車架與車身本身為一體，路面不平導致車輛振動，在實際測定中頻率范圍為0.5～25hz。如果是在普通路面行駛，則頻率范圍是1～3hz。

車輪不平衡激振：車輪無法保持平衡引起的激振，用方程表示：

fw=v/2Πr（1-1） （1）

在上述句式當中，v=車輛速度;r=輪胎半徑。本次計算主要是針對路面不平激振下產(chǎn)生的頻率范圍為：0～85.41。

1.3 電機與傳動系統(tǒng)產(chǎn)生荷載

計算電機與傳統(tǒng)荷載產(chǎn)生頻率，電機與傳統(tǒng)系統(tǒng)質(zhì)量不平衡導致的振動對電動車本身也會造成影響，在這個過程中甚至還存在傳動齒輪安裝出現(xiàn)錯誤的現(xiàn)象。

2 車架模態(tài)分析

2.1 基于理論認識

在生產(chǎn)當中低速電動車的骨架具備自動性能，而且設置了多個振動子系統(tǒng)，在生產(chǎn)當中根據(jù)系統(tǒng)不同的振動頻率、類型而存在不同的特征。在力學計算當中，可以通過系統(tǒng)的方式來計算具體力學，如使用有限元法計算的系統(tǒng)動力學問題，在計算中簡化自由度，就可以通過計算有限自由度來計算系統(tǒng)力學，計算公式如下：

[M]={x''}+[C]{x'}+[K]{x}={P（t）}（2-1） （2）

在計算中，通過模態(tài)分析，確保系統(tǒng)不會受到外界荷載造成的影響。如果在計算過程中阻尼小于模態(tài)分析計算，則可以將其簡化成無阻尼自由振動方程：

[M]={x''}+[K]{x}=0（2-2） （3）

對其計算，得到計算結果為：

{x}={A}sin（ωt+Φ）（2-3） （4）

根據(jù)上述計算得到微分方程組的計算結果，在計算當中A表示振幅列向量，ω表示振動的固定品，Φ表示初相位。如果ω2等于s，則可以在計算當中，將方程式（3）帶入到方程式（2）當中，就可以計算得到該方程：

（[K]-S[M]）{A}=0（2-4） （5）

對方程式（5）機械能有非零解的充要條件有：

（[K]-S[M]）=0（2-5） （6）

在上述計算當中，特征值用ωi2來表示，被稱為第i階固有的頻率，對應ωi2表示的特征。

2.2 模態(tài)仿真分析

利用CATIA來分析系統(tǒng)構成，借助計算機技術進行三維建模來分析性能，為提高分析能力、降低劃分速度、復雜與專業(yè)性，在建模中還原實物可以簡化對剛度的計算，然后將模型導入到ANSYS-Workbench內(nèi)，劃分網(wǎng)格區(qū)分各個單元，得到最終的數(shù)值，分別是173061個節(jié)點、76764個單元。

對自由模態(tài)進行分析，在移動前六階剛體的頻率統(tǒng)計接近0，證明在計算當中這個部分的振動可以忽略不計。通過計算低頻區(qū)域的固有頻率[2]。

在對模型研究中，分析出扭轉模型，這是因為車身骨架在這里出現(xiàn)了明顯的彎曲陣型，在該頻率下研究人員發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)存在明顯的扭轉振動;在第三階固有陣型整體呈現(xiàn)出彎曲跡象，通過對頻率模型分析，在該頻率下骨架出現(xiàn)明顯的振動情況。在整體計算中有三階出現(xiàn)局部陣型情況，部分橫梁彎曲。在座椅的涉及當中，因為設計需要考慮到乘坐人員的舒適體驗，因此如果存在變形，將無法保證整體體驗，在設計中需要考慮到底架變形的影響。通過對模態(tài)分析結果可以知道，當振動頻率為53.14hz頻率下底架彎曲變形最大，當振動頻率為65.22hz 的時候，底架出現(xiàn)最大的扭轉變形。

3 車架諧響應

3.1 理論

在ANSYS 的諧響應分析中，只計算d結構的穩(wěn)態(tài)受迫振動，而不考慮激勵發(fā)生的瞬時振動。諧響應的分析能夠預測車架本身的持續(xù)動力特征，技術人員通過分析能夠得到具體響應，比如位移、速度、加速度在計算的適合結構能量共振就會發(fā)生突變。在分析中如果激勵荷載的頻率與結構系統(tǒng)自振頻率很接近的時候結構的變化很明顯，在能量響應會出現(xiàn)很大突變，人們稱之為能量共振。在這個過程中的能量共振幅度會受到結構阻尼的影響。如果阻尼小則共振陡峭，因此結構振幅的具體表現(xiàn)就越明顯[3]。在計算共振的時候，不能忽視對振動的計算。阻尼在動力分析當中特征非常明顯，而且也非常容易引起困惑，在動力分析中會因為本身的響動力呈現(xiàn)出衰減的現(xiàn)象，因此需要分析諧響應。在計算當中阻尼的表現(xiàn)就比較復雜，模型分析也很困難。借助ANSYS能夠直觀體現(xiàn)出各種特征，的昂阻尼的分析更容易，比如比例、材料、恒定阻尼比等，使用ANSYS 的諧響應分析能夠得到正弦波下系統(tǒng)產(chǎn)生的反應，同時通過ANSYS 的諧響應分析也可以很好的計算、分期周期荷載作用下結構的受迫振動問題，這種計算方式克服了常規(guī)結構設計在計算這個方面的缺陷。

在具體的分析中需要對車身骨架進行模態(tài)分析能夠得到車架結構的相關要素，但是在計算當中所有的位移其實都是歸一化計算的方式，但是最終計算得到的數(shù)據(jù)有也僅僅是作為參考。為了得到車身骨架實際的振動相應，諧響應作為直觀而復雜一個環(huán)節(jié)需要被重視。諧響應的表示方程式為：

（-ω2[M]）+iω[C]+[K]）（{Φ1+i{Φ2}）{x}=（{F1}+i{F2}）（3-1） （7）

在上述句式當中，ω表示振動角頻率，Φ表示模態(tài)形狀分子，F(xiàn)為諧荷載。

3.2 諧響應的仿真分析

通過諧響應分析求解，有兩種求解方式，分別是疊加法、完全閥兩種，這里主要分析完全計算得到的結果。根據(jù)車架懸架與車架連接的方式，主要將車架的連接點的位置朝著X方向、橫向Y方向移動，以自由度為方向，釋放垂直Z方向的移動自由度。在前后懸架連接處分別施加500N的沖擊荷載。通過計算范圍內(nèi)的荷載情況得到車架底部的垂直震動情況。

在仿真分析中，重點記錄局部最大振動峰值出現(xiàn)的頻率，分別是38.2HZ、48.2HZ、52.2HZ、69.4HZ中，尤其是在69.4HZ位置發(fā)生了最高峰值，而且研究過程中，前文提過當振動頻率為65.22hz的時候，底架出現(xiàn)最大的扭轉變形。對于69.4HZ峰值的出現(xiàn)，兩者非常接近很容易引起車架共振。

電機、減速主要齒輪振動產(chǎn)生頻率是低速電動車底架振動的最主要原因，在未來的發(fā)展當中可以通過改善交通、改善電動車性能該改善目前這種情況。但是改善電動車其實是更現(xiàn)實的行為[4]。因此筆者建議在設計的時候可以盡可能考慮增加驅(qū)動電機與后橋連接位置的剛度、橋殼本身的剛度，從而降低減速齒輪嚙合產(chǎn)生的變形量，可以降低振動的幅值。

4 結語

綜上，文章通過研究與分析相關數(shù)據(jù)，針對當前低速電動車在設計方面應該改進的要點提出建議。在當前發(fā)展中，我國低速電動車的擁有者越來越多，出現(xiàn)這種情況之后，科研人員與設計人員應該思考如何在確保安全性、穩(wěn)定性的前提下為乘坐人員提供更舒適的感受，從而起到更積極的作用。低速電動車車身振動因素非多，在科研過程中還可以運用多種方式來分析，分析各方面值得改進的地方，提出有效的解決方式。

參考文獻：

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[3]張選利，彭冬冬.基于ANSYS Workbench的橡膠材料十字形試樣的設計和有限元分析[J].橡膠工業(yè)，2020，67（4）：0311-0315.

[4]楊秀魯，劉魯寧，王永安，等.基于ANSYS Workbench軟件的圓鋸片基體減振降噪設計[J].濟南大學學報（自然科學版）， 2020，034（002）：163-168.