乘用车钢制车轮轮辐振动特性分析

    0　引言

    车轮是汽车重要的安全零部件之一,轮辐是车轮总成的关键部件,承受来自路面的冲击、转向侧抗力并间接产生驱动力和制动力。轮辐的振动特性决定着车辆在行驶、制动过程中的振动和噪声性能,并对车轮的疲劳寿命等产生影响,因此有必要进行轮辐振动特性研究。本文以自主品牌BYDF3车型采用的轮辐为研究对象,采用ANSYS对其进行模态分析,并与MSC PATRAN的计算结果进行比对验证,为轮辐结构的设计和优化提供参考。

    1　轮辐机械结构及三维CAD模型

    轮辐是由厚度为3 mm～5 mm的钢板经数道工序冲压而成的盘状部件,为保证其刚度及装配性要求,盘面通常由多段圆弧构成,如图1(a)所示。本文在不影响计算精度的前提下,对其结构进行简化,最终得到的简化三维CAD模型如图1(b)所示。

    2　模态分析

    2.1　系统动力学方程

    对于一个具有n个自由度的线性系统,由拉格朗日方程建立系统的动力学方程,可表示为:

[M]{u¨(t)}+[C]{u·(t)}+[K]{u(t)}={P(t)}。…………………………(1)

    其中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;u¨(t)、u·(t)、u(t)分别为加速度向量、速度向量、位移向量;P(t)为动载荷向量。

    在不计系统阻尼,且没有外力作用条件下,系统动力学方程简化为:

[M]{u¨(t)}+[K]{u(t)}=0。……………(2)

    假设式(2)的解为:

{u(t)}={U}sin(Xt+H)。…………………(3)

    其中:{U}为位移幅值向量;X为固有频率;H为初相位。将式(3)代入式(2)得:

{[K]-X2[M]}{U}=0。…………………(4)

    式(4)为位移幅值向量{U}的齐次线性代数方程组,式(4)有非零解的充要条件是特征矩阵的行列式等于零,即:

û[K]-X2[M]û=0。………………………(5)

    式(5)为系统的频率方程,展开行列式可得到一个关于频率参数X2的n次代数方程,求出方程的n个根X21、X22、X23、…、X2n,即得到系统的n个固有频率X1、X2、X3、…、Xn。

    2.2　系统振型

    一般情况下,各阶固有频率并不相等,对应于每个固有频率,通过式(4)可求得一组节点位移幅值向量{U},虽各阶固有频率对应的幅值向量{U}不同,但各节点的幅值大小保持一定的比例关系,构成一组特征向量,即系统的模态振型。