载重汽车3种结构形式平衡悬架模态分析

摘要： 为避免因路面振源频率与平衡悬架固有频率一致使平衡悬架系统发生共振，从而导致平衡悬架损伤或破坏的问题，对直式、U形和圆弧弯形载重汽车平衡悬架建模并划分网格，结合车身和平衡悬架的结构参数施加合理的边界条件，分别在有应力和无应力状态下用ANSYS分析3种平衡悬架的前10阶模态.结果表明3种平衡悬架的振动频率可有效避开一般路面的激振频率（1～20 Hz）；平衡悬架在有应力和无应力状态下的模态分析结果差别很小.

关键词： 平衡悬架； 模态； 共振； 有限元

中图分类号： U463.33； TB115.1

文献标志码： B

Modal analysis on truck balance suspensions in

three kinds of structures

SU Jilong, LIAN Xingfeng

(College of Mechanics and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract： To avoid injury or damage of balance suspension system aroused by resonance due to the consistency of natural frequency of balance suspension with road vibration frequency, the vertical, U-shape, and arc bending balance suspensions are modeled and meshed, the rational boundary conditions are applied on the models combining with the structural parameters of vehicle body and balance suspensions, the modals of first ten order are analyzed by ANSYS for the three types of balance suspensions under stress effect or without stress. The results show that, the road excitation frequency ranged in 1~20 Hz can be avoided in the three types of balance suspension, and the difference of modal analysis on the three types of suspension in the state of stress and no stress is minor.

Key words： balance suspension; modal; resonance; finite element

0 引 言

钢板弹簧平衡悬架作为载重和专用车上常用的悬架系统，主要用于支撑车身并缓冲行驶中振动的车架与车轴之间的连接传力结构.在实际使用过程中，这些悬架易发生局部微裂纹和断裂破坏事故，对车辆的平顺性和通过性、安全性和可靠性等都会产生显著影响.［1-5］平衡悬架结构有其固有频率，而汽车在运行过程中也会受到路面和发动机等各种振源的激励，如果外来振源频率与平衡悬架固有频率一致将会发生共振，从而引起破坏.

本文采用Pro/ENGINEER实现平衡悬架的三维建模，用ANSYS分析平衡悬架的模态.［6-9］重点分析在无初始应力状态时不同形式平衡悬架相应频率下的振型，保证设计的平衡悬架的固有频率避开路面激振频率，并分析和比较有应力状态时的平衡悬架振动特性，为模态分析实验提供基础.

1 有限元模型建立和分析

1.1 有限元模型建立

平衡悬架CF153A的相关参数如下：轴径φ=100 mm，板簧中心L1=1 020 mm，装车距L2=770 mm，下推力杆的中心距L3=820 mm.通过Pro/ENGINEER实现平衡桥支架、心轴、下推力杆座、板簧座和板簧等的建模及其安装.根据设计方案选择不同形式的心轴，分别建立直式、U形和圆弧弯形等3种平衡悬架的模型.

选用三维实体单元SOLID45，所用材料为优质钢 ,材料参数如下: 弹性模量E=210 GPa,泊松比υ= 0.3,密度ρ=7.8×103 kg/m3.由于整个平衡悬架的规模比较大，故只采用对称的一半结构进行建模分析.3种平衡悬架的网格划分见图1.

(a)直式

(b)U形

(c)圆弧弯形

图 1 3种平衡悬架的网格划分

Fig.1 Meshing of three types of balance suspensions

1.2 无应力状态模态分析

对平衡悬架在空载工况下进行模态分析.对平衡悬架在重力方向施加零位移约束.采用ANSYS的Subspace法求解平衡悬架的模态，该方法比较适合提取中型到大型模型的较少的振型，并可适用于大型对称矩阵特征值求解问题.Subspace法与Block Lanczos法的精度相同，故为减少内存占用量采用Subspace法.选择模态扩展阶数为10，将无应力状态项设为默认.3种平衡悬架前10阶振型固有频率见表1.

由表1可知，不同平衡悬架前8阶振型的固有频率相差很小， 第9和10阶直式平衡悬架的频率明显高于其他2种结构的频率，U形与圆弧弯形平衡悬架的前10阶振动频率无较大差异；3种平衡悬架的前10阶振动频率与一般路面激振频率（1～20 Hz）相比，相差较大，可有效避开共振区.

直式平衡悬架在第9阶时频率为835.35 Hz，整个平衡悬架变形较大，见图2；U形平衡悬架在第8阶时频率为426.83 Hz，整个平衡悬架变形较大，见图3；圆弧弯形平衡悬架在第8阶时频率为436.19 Hz，整个平衡悬架变形较大，见图4.

由图2可知，当固有频率为835.35 Hz时，直式平衡悬架的主要变形在直轴处；由图3和4可知， U形和圆弧弯形平衡悬架主要变形在板簧处.在进行模态分析实验时，应着重考虑在这些大变形处增加检测点.

1.3 有应力状态模态分析

同样采用ANSYS的Subspace法求解有应力状态下平衡悬架的模态.与无应力状态下模态分析不

同的是，首先用ANSYS对模型进行静力分析，再进行模态求解设置，最后进行模态求解，可求出10阶振型固有频率.以满载10 t工况进行平衡悬架模态分析.有应力状态下3种平衡悬架前10阶振型固有频率见表2.

由表2可知,在有应力状态下，3种形式平衡悬架的振动频率与一般路面激振频率（1～20 Hz）相比，相差较大，同样可有效避开共振区.

另外，由表1和2可知，有应力状态下3种平衡悬架的前10阶频率与无应力状态下的频率相差很小.有应力状态下3种平衡悬架对应的最大变形振型见图5~7.

2 结 论

（1）通过对直式、U形和圆弧弯形等3种平衡悬架的前10阶模态分析，可知3种平衡悬架在第8阶振型频率（0～500 Hz）之前，3者的频率相差很小；但直式平衡悬架相对于其他2种在第9和10阶振型频率（600～1 000 Hz）相差较大.

（2）通过直式、U形和圆弧弯形平衡悬架的前10阶振动频率与一般实际凹凸不平路面随机的1～20 Hz激振频率的比较可知，这3种平衡悬架均可避开共振区.

（3）3种平衡悬架在有应力状态和无应力状态时的模态分析结果相差不大，由此可知，可直接在无应力状态下进行模态分析实验，结果同样适用且满足工程要求.

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