纯电动公交车车架的谐响应分析

 于一冰，李耀刚，琚立颖，万国睿，冯  泽

 （华北理工大学机械工程学院，河北  唐山  063009）

摘要：根据某纯电动公交车车架三维模型，应用ANSYS Workbench建立其有限元模型，并进行有预应力的模态分析，得到其固有频率。将模态分析作为基础，以驱动电机作为激励；分析车架的谐响应。分析得到位移频率曲线，进而得到驱动电机与车架发生共振的部位，并提出两种解决方案。经验证，只有在驱动电机与车架之间安装橡胶减振器，才能使位移幅值大幅度减小，达到减振的目的。

关键词：车架；ANSYS Workbench;谐响应中图分类号：TP391.7：U463. 32

0  引言

 随着环境污染越来越严重，纯电动公交车开始受到广泛的关注，国内也将大力发展纯电动公交车。车架承受着纯电动公交车的整体质量，其刚度和强度是否满足使用要求关系到整车性能的好坏。虽然纯电动公交车行驶在城市路面上，路况良好，但是对其乘坐舒适性要求较高，因此需要对车架的共振进行研究。本文应用ANSYS Workbench软件分析纯电动公交车

车架的模态和谐响应，并考虑驱动电机的振动，提出避免共振的方法。

1  纯电动公交车车架有限元模型的建立

 纯电动公交车车架是由材料为Q345的方钢焊接而成的空间钢架结构，空间关系比较复杂，存在多变的断面形式。首先，应用Cre/o软件对车架进行三维建模并对其进行简化，省略车架上的一些非承载件和装饰件并简化部分梁截面形状；然后将建立的三维模型另存为．STP格式，利用ANSYS Workbench提供的．STP接口导入，对实体模型进行网格划分。根据车架的总体尺寸，选取网格单元尺寸为20 mm进行划分，车架被离散为1 449 338个节点、508 114个单元。最终建立的公交车车架有限元模型如图1所示。

2纯电动公交车车架有预应力的模态分析

 本文考虑了车架满载弯曲工况下的静力学分析结果，采用有预应力的模态分析，该方法更加贴近实际情况，能够更好地反映车架的固有频率及振型。由于纯电动公交车车架属于中大型模型，对比模态的7种提取方法以及车架的实际情况，采用具有高效性的Lanczos法提取车架的模态，该方法不仅节省磁盘空间，而且在计算过程中几乎不丢根。此模态分析是作

为谐响应分析的数据参考，因此在ANSYS Work-bench软件中，模态分析时提取前20阶模态，其固有频率见表1，第1阶和第2阶模态振型图如图2所示。

3在驱动电机激励下的谐响应分析

 由于纯电动公交车始终在城市的较好路面上行驶，因此仅研究由驱动电机产生的激励载荷。经过计算得到驱动电机在竖直方向上的惯性力为2 750 N，这即是载荷的边界条件。

 将有预应力的模态分析结果作为数据参考，对车架进行谐响应分析。将分析设定(Analysis Settings)中的上限频率值设定为60 Hz，下限频率值设定为0 Hz，子步数为60，在驱动电机的托架上施加垂直的力载荷2 750 N。根据模态分析取得所要研究的节点：第1点位于驾驶室前最左端横梁处；第2点位于后车轮坐人变形大处；第3点位于减震器与悬架接触点处。通过计算，得到以上3点的位移频率响应曲线，如图3所示。

 由图3可知，在频率为31 Hz、36 Hz、53 Hz处出现位移最大值，分别与第7阶、第10阶和第16阶固有频率基本对应，因此在此频率下已达到共振，并且振动很厉害，最大值达到8. 935 2 mm，会对乘客产生不适感，影响乘坐舒适性。产生此现象的首要因素是驱动电机和车架之间没有任何减振措施，是刚性连接的。

4  车架的减振研究

 通常的减振方法有3种：抑制振源强度、隔振和消振。对于纯电动公交车而言，因其行驶的路面是固定的，因此采用抑制振源强度与实际情况不符。隔振与消振可以统称为减振，其最终目的是减小振体的强度。由于驱动电机和车架之间产生共振，那么首先应考虑修改车架的结构尺寸来避开共振频率。采用增加车架方钢厚度的方法，将厚度3 mm修改为厚度5 mm。在其他约束与载荷条件不变的情况下，分析修改车架方钢厚度后车架的前20阶模态，分析结果见表2。对比表1和表2可知，频率值增大的幅度并不大，并没有避开共振频率，并且影响到车辆的轻量化，因此该方法不可行。

 橡胶减振器具有形状可变、可调，并且兼具良好的减振、隔音和缓冲效果，因此采用橡胶减振器对车架与驱动电机进行隔振。安装减振器后再进行车架的谐响应分析，取得感兴趣的第3点的位移频率曲线，如图4所示。各点的位移响应对比如表3所示。

  由图4和表3可知，安装橡胶减振器后，在很大程度上减小了位移响应幅值，增加了乘坐舒适性，并且能够提高车架的疲劳寿命。

5结语

 通过对纯电动公交车车架的有限元建模及模态分析，取得了前20阶固有频率。在以驱动电机作为简谐激振力的情况下，对车架进行谐响应分析，得到驱动电机与车架产生共振的频率。为避免共振的发生，提出了两种解决方案，改变车架方钢厚度的减振方法经验证并不能达到减振的效果，而在驱动电机与车架之间安装橡胶减振器，经验证可以有效地减小共振的幅值，提高车架的疲劳强度。