某電動汽車副車架的性能分析

葛偉，饒洪宇

(上汽集團商用車技術中心，上海 200438)

某電動汽車副車架的性能分析

葛偉，饒洪宇

(上汽集團商用車技術中心，上海 200438)

基于Hypermesh建立了某電動汽車的副車架有限元模型。進行了試驗模態分析，通過試驗與仿真結果的對比驗證了有限元模型的正確性。研究了副車架裝上電機與主減速器之后的模態，進行了副車架關鍵部件的強度分析。結果表明:該電動車輛副車架的設計滿足使用要求。

模態分析;強度分析;副車架

電動汽車底盤結構中增加副車架后，電機、變速器以及下擺臂部件可先與副車架裝配，然后在汽車總裝的過程中將副車架總成與“正”車架相連，以此降低裝配的時間與成本，便于后期進行電機與變速器等部件的拆裝與匹配［1-2］。同時，裝有副車架的電動車輛可以明顯提高懸掛連接的剛度，在一定程度上減少路面的振動輸入，為乘客提供良好的乘車舒適性。電動汽車安裝副車架也有不可避免的缺點，其中比較明顯的是:當采用鋼制副車架時會增加車重，直接影響到電動汽車的續駛里程;若采用材質比較輕的鋁制副車架又會增加成本。若副車架的懸置設計得比較軟，雖然可以起到很好的減振效果，但是會在一定程度上降低汽車的操作穩定性。所以，副車架設計的好壞會直接影響電動車的性能［3-5］。

本文通過計算機仿真以及試驗對電動汽車鋼制副車架進行性能分析，研究電動汽車安裝鋼制副車架的可行性，為副車架的優化設計提供參考。

1 副車架有限元模型的建立

在進行分析之前，建立準確可靠的有限元模型是一項非常重要的工作，直接關系到計算結果的正確性。考慮到實際遇到的工程問題一般都是復雜多變的，研究對象的形狀、邊界條件以及載荷的形式是多樣性的，因此需要對建立的計算模型進行簡化。

1.1 副車架的組成

本文研究的某電動汽車的副車架主要負責支撐電機與主減速器，并與下擺臂進行連接。主要組成部分包括前后左右4個管梁、下擺臂的4個支架和3個電機懸置安裝支架。副車架二維圖見圖1。圖1中序號所對應的部件名稱及各部件采用的材料見表1。

圖1 副車架二維圖

表1 副車架組成部件及材料

1.2 副車架的有限元模型

模型的導入與幾何清理使用Hypermesh軟件。導入的CATIA幾何模型如圖2所示。

圖2 CATIA幾何模型

在網格劃分之前，需要對導入的CATIA模型做必要的幾何清理。幾何清理的主要工作包括幾何修復與幾何簡化。進行網格劃分時應該注意以下2點［6-9］:①四邊形單元的長度與寬度相差不應太大，否則會引起剛度矩陣出現“病態”，影響計算的精度。三角形單元應避免出現過小銳角與過大鈍角。由于四邊形單元比三角形單元計算的效果要好，所以在網格中三角形單元應該越少越好。②適度劃分單元，盡可能地表達出結構真實的受力的情況。支架部分與管梁部分采用RBE2的連接方式，將支架周邊的網格的節點與管梁相近的單元連接。根據單元尺寸及要求進行副車架的有限元網格劃分，網格單元數目為22 649個。副車架系統的有限元模型如圖3所示。

圖3 副車架有限元模型

2 副車架模態分析與試驗

2.1 副車架模態仿真分析

本文利用Optistruct作為求解器，采用蘭索斯算法對副車架在自由約束條件下的模態進行提取，即在計算副車架模態時不施加任何約束。選取頻率提取范圍為0.1～1 000 Hz。模態的提取階數為9。為了觀測振型，可以在HyperView中將變形比例進行放大。副車架第1～9階的固有頻率和振型見表2。

表2 副車架第1～9階的固有頻率和振型

2.2 副車架的模態試驗

本文采用LMS儀器以及配套的Test.Lab軟件進行副車架的模態試驗。在之前所建立的有限元模型中選擇副車架上的47個點，在Hypermesh中讀出這47個點的坐標值。在Test.Lab中建立幾何模型時輸入這47個點坐標，并進行連接，見圖4。通過敲擊副車架，Test.Lab可以自動調整記錄的量程范圍，防止數值的溢出。采用每點敲擊5次取平均的方法。

圖4 懸吊的副車架及Test.Lab中所布置的點

打開Test.Lab里的PolyMax Modal Analysis，可以得到試驗的模態分析結果，如圖5所示。圖5中每個峰值代表一個階數，同時可以得到每階對應的頻率。

圖5 試驗結果界面

2.3 模態的仿真與試驗結果的對比

仿真得到的副車架固有頻率與試驗得到的前9階的頻率對比見表3［10-14］。仿真與試驗結果相近，說明了仿真模型是準確的，仿真結果可以很好地評價副車架的固有頻率。

2.4 副車架裝上電機與主減速之后的模態試驗

除需了解單純的副車架在自由狀態下的振動特性外，還需要考慮在副車架上裝配電機與主減速器后的振動特性。這是因為安裝電機與主減速器后的副車架的振動特性會對整車的振動產生比較顯著的影響，如果出現某階次的頻率與其他結構的頻率接近，則會出現共振現象，降低整車的舒適性。本文采用試驗的方法進行測試。測試布置點不變，在Test.Lab軟件中進行分析。分析結果見圖6。從圖6中可知:副車架與電機及主減速器組成的系統的固有頻率的前7階為:1階47.05 Hz;2階112.03Hz;3階195.06Hz;4階207.83 Hz;5階236.62Hz;6階305.44 Hz;7階335.09 Hz。從結果來看，該設計可以避開整車其他結構的共振頻率，因此設計的副車架是合理的。

表3 仿真與試驗得到的固有頻率對比Hz

圖6 試驗結果

3 副車架關鍵部件強度分析

為了滿足電動汽車的性能要求，需要利用有限元方法對電動汽車的副車架進行結構的靜態分析，了解副車架的應力情況，從而評價副車架的承載特性。根據分析結果可改變副車架的結構形式或尺寸的參數，為結構的優化提供理論依據。本文選取的副車架關鍵部件為3個電機懸置支架和4個下擺臂安裝支架。

3.1 副車架電機懸置支架靜力分析

根據副車架在整車中的裝配情況施加約束。在副車架與“正”車架相連的8處施加約束，約束施加在中心孔表面，約束方式為123456。本文將電動汽車從起步到最高車速下的電機與變速器動力總成的激振載荷譜中的最大值作為模擬載荷，同時考慮直接測量載荷帶來的不準確性，測量電機和變速器上的三向加速度，再計算載荷。具體操作是首先在電機與變速器總成中心位置放置三向加速度傳感器，并連接到LMS采集器，車輛在測試路面上進行測試(如圖7所示)。計算得到施加在3個方向上的靜態力為:Fx=220 N;Fy=225 N; Fz=-165 N。

圖7 試驗測試

在Hypermesh中利用OptiStruct求解器進行靜力分析，得到的副車架的電機懸置支架的應力云圖，如圖8所示。仔細觀測圖8可知最大應力為236 MPa，遠小于所用材料的屈服極限。最大應力出現在右前支架的螺栓連接的邊緣處，比較大的應力出現在3個支架的螺栓連接邊緣處，與實際情況相吻合，說明該有限元模型可以比較真實地反映出支架的結構力學性能。

圖8 電機懸置支架的應力云圖

3.2 副車架下擺臂連接支架靜力分析

施加的約束不變，關鍵是載荷的獲取。本文通過建立ADAMS/Car模型得到計算所需的載荷，建模所需的主要參數如下:

1)前懸架的各部件主要尺寸參數。在Template模式下建立前懸架模型。首先需要建立硬點(hardpoint)。本文建立的前懸架的主要部件的硬點坐標見圖9。

圖9 硬點坐標

2)前懸架的各部件質量參數。前懸架主要組成部件的質量與轉動慣量參數見表4。

表4 組成部件質量與轉動慣量

3)前懸架力學參數。螺旋彈簧的預緊力、減震器的阻尼系數，以及本文主要考慮的部件下擺臂與副車架相連處的襯套的力學特性均由制造廠家提供。其中下擺臂與副車架相連處的襯套的剛度特性曲線如圖10所示。

圖10 襯套剛度特性曲線

4)四輪定位參數。通過四輪定位儀測試滿載情況下的車輪的定位參數，如表5所示。

表5 四輪定位參數

在ADAMS/Car的標準界面中建立前懸架仿真模型，如圖11所示。

圖11 前懸架仿真模型

考慮制動工況，在左右車輪中心處的制動力取1 000 N進行動力學分析。進入后處理(Post processing)窗口，得到左前襯套處X，Y，Z三個方向的力分別為-450，-1 700，10 N;而左后襯套處X，Y，Z三個方向的力分別為-800，1 200，150 N。

下擺臂安裝支架處兩邊的螺栓孔同樣采用Rbe2連接。在前后左右4個支架處施加計算出來的力進行靜態強度分析，提交到Optistruct中進行計算，得到副車架的應力云圖，如圖12所示。

圖12 應力云圖

從圖12可以看出:副車架在此種工況下的總體應力都比較小，最大的應力在副車架與車身的后安裝支架處，此處的應力為266 MPa，小于所用材料屈服極限;在下擺臂安裝支架處的應力為118 MPa左右。通過靜態強度分析可知，鋼制副車架的靜強度符合要求。系統中應力比較大的地方主要為副車架主體后部與車身安裝處，但是副車架整體的平均應力比較低，這樣就有一定的富余量滿足使用的要求。

4 結束語

建立了副車架的有限元模型，進行了結構的固有模態分析，并用實物的模態分析試驗驗證了有限元模型的正確性。進行了副車架裝配電機、主減速后組成的總成的模態試驗，得出固有頻率，說明副車架結構設計的合理性。使用試驗方法得到電機懸置支架處的載荷，真實地反映了支架處的受力情況，對電機懸置支架的強度進行了驗證分析。運用動力學軟件ADAMS/Car建立模型，得到下擺臂連接支架的受力情況，從而在Hyperworks中計算得到其強度，進一步說明了該副車架的設計滿足使用要求。

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(責任編輯 劉舸)

Analysis of an Electric Vehicle Subframe Performance

GE Wei，RAO Hong-yu
(Saic Motor Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai 200438，China)

By applying the Hypermesh software，the FEA model of electric vehicle subframe was established.We carried out the modal test and compared the results of the test and simulation to verify the correctness of the FEA model.The modal test of the subframe was added with the motor and retarder and the strength analysis of the critical components was conducted.The result shows that the design of the subframe can meet the operating requirement.

modal analysis;strength analysis;subframe

U463.32

A

1674-8425(2014)06-0008-06

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.06.002

2013-12-28

國家自然科學基金資助項目(51105178);國家863節能與新能源汽車重大項目(2012AA111401);江蘇省自然科學基金面上研究項目(BK2011489)

葛偉(1988—)，男，碩士，主要從事車輛動力性和結構性能研究。

葛偉，饒洪宇.某電動汽車副車架的性能分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(6):8-13.

format:GE Wei，RAO Hong-yu.Analysis of an Electric Vehicle Subframe Performance［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(6):8-13.