汽车轮毂模态分析

基于ABAQUS汽车轮毂模态分析一.研究汽车模态的意义二.模态分析与汽车NVH问题1.NVH概念2.NVH解决的问题3.NVH特性研究方法三.轮毂实例分析一.研究汽车模态的意义I.使整车中各部件模态分离，防止各部件之间共振引起的振动噪声问题。II.是整车中各部件与发动机的怠速频率分离，防止整车中部件在怠速时因发动机激振而共振。III.研究各部件模态频率与发动机阶次激励中的重合点，防止在重合点出振动噪声放大。IV.研究各部件模态频率与路面激振频率的重合，防止路面激振带来的振动噪声和平顺性问题。V.研究人体敏感频率和车身、座椅等系统的频率重合，增加驾驶员和乘客的舒适度感觉。汽车结构动态设计在建立了汽车整车振动模型后，汽车结构的动态设计成为了可能，其步骤是：1.建立汽车整车的振动模型2.计算汽车在各种工况下的振动响应3.提出改进目标函数，确定应该修改的部件4.结构参数修改量的计算5.以原整车模型为基础，利用摄动法或者其他方法导出经过修改过的汽车整车振动模型模态分析在汽车工程的作用模态分析的最终目标是识别出整车系统以及子系统的模态参数，为结构的系统振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析的应用可以归结为以下几个方面：①评价现有结构系统的动态特性②在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计③诊断及预报结构系统的故障④控制结构的辐射噪声⑤识别系统的载荷二.模态分析与汽车NVH问题•NVH概念NVH是英文noise（噪声）、vibration（振动）、harshness（声振粗糙度）的缩写。NVH反映的是乘员感受到的噪声、振动以及相关的动态不舒适性。声振粗糙度描述的是噪声和振动使人不舒适的感觉，因此有人称之为不平顺性。总之，它是人体对振动和噪声的主观感受，与振动和噪声的瞬态性质有关，不能直接用客观测量方法来度量。NVH问题概述1.噪声问题主要包括发动机噪声、进排气噪声、轮胎噪声、传动系齿轮啮合噪声、车内板振动噪声，制动噪声等。2.振动问题主要包括乘客感觉到的方向盘、底盘和座椅的抖动，发动机运动件的不平衡旋转和往复运动、曲轴的变动气体负荷、传动轴万向节变动力矩引起的振动等。3.声振粗糙度问题降低乘客感受到的汽车非平稳运动、颠簸、冲击和刺耳的异常噪声等引起的不舒适问题。解决NVH问题的方法1.对振动源和噪声源的控制改善产生振动和噪声的零部件的结构，改善其振动特性，避免产生共振；改进旋转原件的平衡；提高零部件的加工精度和装配质量，减小相对原件之间的冲击与摩擦；改善车身结构，提高刚度等。2.对振动和噪声的传递途径控制采用阻尼元器件减小振动，比如悬架中的扭振减振器，减振弹簧等；分析改进元件结构，提高密封性能；采用各种隔音材料的应用，研究隔音结构，提高汽车内部的隔音性能。NVH特性的研究方法1.多体系统动力学法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。2.有限元法一方面，可用于研究车身结构振动；另一方面，可用于对车室内部空腔噪声分析。3.统计能量分析法将系统分解为多个子系统，研究他们之间的能量流动和模态响应的统计特性。适用于结构、声学等系统的动力学分析。4.边界元法研究车体振动和车室内部空腔噪声的声固耦合系统。三.轮毂分析实例轮毂是汽车的重要部件，由于它不但要承受整车的重量，通过转动的轮胎还要承受水平方向的作用力和由路面传来的冲击力等交变载荷，制动力也会作用在轮毂上，如此复杂的工作条件使得对轮毂的要求越来越高。它直接影响汽车的整体行驶稳定性、安全性、可靠性、平顺性、牵引性及外观形象，对汽车整体能源消耗，轮胎的寿命都有较大的影响。为什么进行轮毂模态分析？轮毂的基本结构•轮辋是汽车轮毂上与轮胎直接接触的部分，起到支撑轮胎的作用。在轮辋的两侧突起部分有胎圈座和轮缘组成，胎圈座与轮胎的胎圈直接接触的部分起到支持轮胎半径方向力的作用；轮缘起到保持并支撑轮胎方向的作用。此外，轮辋上还有放置轮胎气门嘴的气门孔。•轮辐是连接轮辋与中心孔的部分，起到重要承载作用。它的强度决定了轮毂整体强度。轮辋轮辐螺栓孔中心孔轮毂通常由轮辋和轮辐两部分组成轮毂的分类按车轮材质：可分为钢制、铝合金、镁合金等车轮•钢制轮毂最主要的优点就是制造工艺简单，成本相对较低，而且抗金属疲劳的能力很强，也就是我们俗称的便宜又结实。但钢质轮毂的缺点也相对比较突出就是外观不够美观，重量较大惯性阻力大，散热性也比较差，而且非常容易生锈。•铝合金材质轮毂重量较轻，惯性阻力小，制作精度高，在高速转动时的变形小，惯性阻力小，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力，从而减少了油耗。合金材质的导热性能又是钢的三倍左右，散热性好，对于车辆的制动系，轮胎和制动系统的热衰减都能起到一定的作用。•镁合金材质轮毂重量比铝合金还要轻，惯性阻力更小，制作精度更高，近年来在豪华车型有所应用，不过成本比较高，价格较贵。按轮辐分：有辐板式和辐条式两类。辐条式：车轮有可分为钢丝辐条式车轮（A）和铸造辐条式车轮（B），A轮辋的结构和自行车车轮相同，不过由于价格昂贵，且维修安装不方便，故实际使用并不多；B轮辋是用螺栓和特殊形状的衬块固定在辐条上，它多用于重型货车上。钢丝辐条式车轮（A）铸造辐条式车轮（B）辐板式：目前，普通轿车和轻、中型货车普遍采用辐板式车轮，这种车轮如图所示，由挡圈、轮辋、辐板和气门嘴伸出口组成。车轮中用以连接轮毂和轮辋的钢质圆盘称为辐板，大多是冲压制成的，少数是和轮毂铸成一体，后者主要用于重型汽车。辐板式轮辋是目前应用最为广泛的轮毂形式，它的特点是将轮辋和轮辐铸成一体，优点是质量轻、尺寸精度高、某种程度上可以明显改善车轮的空气动力学特性，从而降低一部分汽车油耗。辐板式轮毂结构ABAQUS进行模态分析的具体步骤•1.部件•2.截面•3.装配•4.分析步•5.相互作用•6.载荷•7.网格•8.作业（求解）•9.可视化（后处理）ABAQUS单位1.部件创建部件1.利用ABAQUS的CAD模块建模2.外部导入2.截面属性高端车或者高配车型一般全部用铝合金轮毂，低档或者低配车型的则大都使用钢制轮毂。•定义材料属性选择铝合金材料•密度为2.7×10-9t/mm3•弹性模量为70000MPa•泊松比0.33创建材料属性创建截面属性指派截面属性3.分析步进入分析步模块，分析步的类型选择线性摄动分析步，然后选择频率分析，特征值求解器选择lanczos，然后提取10阶固有频率。4.载荷•定义边界条件：在实际工况中，轮毂轴承是通过法兰盘轮毂的螺纹孔与螺栓固定联接，所以对所有的螺栓孔处施加全约束。5.网格•首先选择的网格属性为四面体自由网格划分技术，然后选择布种密度，根据实际划分的疏密情况全局种子近似全局尺寸设置为8。单元类型选择三维实体四面体C3D10单元类型，即十节点二次四面体单元6.后处理1阶振型（轮辋Ⅰ型同向倾斜振动）2阶振型（轮辋Ⅱ型同向倾斜振动）3阶振型（轮辋扭转振动）4阶振型（轮辋前后振动）5阶振型（轮辋Ⅰ型反向倾斜的振动）7阶振型8阶振型6阶振型9阶振型10阶振型铝合金轮毂和钢材轮毂固有频率和特征值铝合金轮毂钢材轮毂钢材和铝合金材质的轮毂固有频率对比曲线材料属性为钢的情况下车轮的固有频率相对于材料属性为铝的情况下要偏高。材料属性为钢相对与材料属性为铝时的频率的变化不大，可见材料性质对轮毂的固有频率影响不大。铝合金轮毂的优点1、省油均匀每个铝合金轮毂比一样尺度的钢轮毂轻2kg。依据日本实验，5座的轿车重量每减轻1kg，一年约节约20L汽油。而美国轿车工程师学会宣布的研究报告指出，铝合金轮毂虽然比通常钢轮毂贵，但每辆轿车跑到2万km时，其所节约的燃料费便足以抵回本钱。3、散热好铝合金的热传导系数为钢的3倍。散热作用好，远程高速行驶之时，也能使轮胎保持在恰当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化。4、真圆度好精度高达0.05mm，工作平衡功能佳，有利于消除通常车身超长及方向盘颤动表象。5、坚固耐用铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢轮毂要高。这也是铝合金在国防工业、航空工业扮演重要的角色原因之一。6、美观通常钢轮毂因生产所限，形式单调板滞，缺乏改变;铝合金轮毂则有林林总总的规划，加上光泽、色彩作用好，然后提高了轿车的价值与美感。应用为了避免发生共振，轮毂的振动频率要避开的外部激励频率。外部激振主要包括路面激励频率和发动机的振动频率。•根据工程经验，高速公路和城市较好路面，路面激励频率多在3Hz以下，凹凸不平路面激励频率一般低于11Hz。•发动机振动频率为：其中，r为怠速稳定转速；n为发动机缸数。一般来说，冷车四缸发动怠速稳定转速一般是1000r/min-1200r/min左右，热车后在700r/min-800r/min左右。由此计算得出发动机振动频率范围一般为23.33—26.67Hz。四缸发动机最高转速一般6000r/min，最高转速下的振动频率为200Hz。此轮毂可以避开发动机振动频率和路面激励频率。