预应力对汽车减震器固有频率的影响

穆增国，张纪平，李洪明

(中北大学 机械工程学院，山西 太原 030051)

0 引言

汽车减震器在汽车工作过程中比较容易损坏，其质量和工作性能的好坏，对汽车行驶的稳定性有重要影响，甚至会影响汽车其他部件的使用寿命。所以让减震器一直处于正常的工作状态非常重要。

本文以某型号汽车作为研究对象，通过整车道路试验发现车内异响产生的频率为270～300Hz。当汽车低速行驶过程中,筒式减振器活塞不断进行往复运动，在运动过程中提供阻尼力。当复原行程转换为压缩行程时,减振器空程使活塞杆轴向振动，此种振动经过减震器上侧固定器传递到车身，当该振动频率与减震器固有频率接近或重合时,发生共振并产生数百赫兹声音[1]。宋睿等人认为轿车减震器异响为结构传递性异响，且异响频率为250～450Hz[2]。舒红宇等人认为减震器的结构噪声发生在活塞杆复原和压缩行程换向过程中，频率范围在 100～450 Hz[3]。税永波等人认为车辆在某些工况下导致减震器高频振动，当振动频率达到减振器的固有频率时振幅急剧增加，发生共振现象，产生噪声并传递到车内[4]。所以要了解汽车减震器的振动情况，需要对汽车减震器进行自由模态分析和预应力模态分析，分析它们的固有频率和振型，从而使汽车减震器可以避免与汽车车身发生共振。

1 汽车减震器有限元模型的建立

首先对减震器进行SolidWorks三维建模，如图1所示，其中主要零部件的尺寸如表1所示。其次在hypermesh中进行网格划分，并对汽车减震器各部件进行绑定约束；然后利用ANSYS-workbench对汽车减震器进行自由模态分析和预应力模态分析，其中模态提取方法采用Block Lanczos。

表1 主要零部件尺寸 单位：mm

1—活塞杆；2—贮油缸；3—工作缸。图1 汽车减振器三维建模图和简单示意图

1.1 材料属性

该型号汽车减震器由不同部件进行装配得到，其中主要部件材料属性如表2所示。

表2 汽车减震器各部件材料参数

1.2 网格划分

本文采用六面体网格对汽车减震器各部件进行网格划分，以保证结果的准确性。汽车减震器网格单元数目为106030，节点数目为133454。图2为汽车减振器整体的网格划分图。

图2 汽车减振器整体的网格划分图

2 模态分析

2.1 模态分析理论方法

由Hamilton 变分原理得出其运动方程为

(1)

当Ts=0、Cs=0阻尼不被考虑时为自由振动。从而得出减震器无液压油条件下的振动方程

(2)

其中：[M]为结构质量阵；[K]为结构刚度阵；{u}为结构位移。预应力效应带来的附加刚度也可以用刚度阵表示。

2.2 自由模态分析

如图3所示，从左到右依次为汽车减震器前6阶自由模态。汽车减震器的前6阶固有频率及振型特征如表3所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

表3 汽车减震器前6阶固有频率及振型特征

2.3 实验验证

本实验通过某振动和噪声技术研究所的DASP V10来进行数据采集及信号处理。该实验通过锤击法进行采样测量，首先沿着某型号汽车减震器轴向均匀放置5个加速度传感器，加速度传感器用来进行测量信号数据；其次通过锤击法重复进行3组实验，然后将得到的时域波形进行傅里叶变换，挑选其中比较好的频响函数进行Poly_LSCF分析，得到集总传递函数稳态图(图4)。表4为Poly_LSCF法模态拟合结果。

图4 Poly_LSCF法分析集总传递函数稳态图

表4 仿真模态和实验模态对比

对汽车减震器相关性分析如图5所示，主对角线模态MAC值为1，MAC非对角元值远<1，说明各阶计算振型独立性越好。各阶模态的相关性很小，模态之间出现混淆的可能性很低，所以本实验结果可信。

通过对汽车减震器自由模态进行分析后发现，最小阶数频率959.66Hz，远>300Hz，所以对汽车减震器自由模态分析不能准确反映汽车减震器工作过程中的振动频率。接下来要对汽车减震器进行预应力模态分析，来验证汽车减震器在不同工况下的振动频率是否在270～300Hz内。

图5 模态MAC图

2.4 预应力模态

预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和振型[5]。施加在汽车减震器上的两种预应力如表5所示，受力图如图6所示。

表5 施加在汽车减震器上的两种预应力 单位：N

A—活塞杆上端受力位置；B—缓冲块施力位置；C—导向座受力位置；D—活塞受力位置。图6 汽车减震器受力图

在这里以工况1为例，进行预应力模态分析。如图7所示从左到右依次为工况1作用下的前6阶预应力模态。

工况1和空载工况下的前6阶预应力模态固有频率及振型特征如表6所示。

由图7、表6可知，汽车减震器在工况1和空载工况下预应力模态的前2阶固有频率都在200～300Hz范围内，接近异响发生频率270～300Hz，而且前2阶模态阵型特征都为活塞杆轴向伸缩振动，由引言中所引用文献[1]的内容可得出：汽车减震器在前2阶预应力模态下易与汽车车身发生共振，引发异响，所以汽车减震器在工作过程中要避开前2阶固有频率。

图7 工况1作用下汽车减震器前6阶预应力模态

表6 工况1和空载工况作用下汽车减震器前6阶预应力模态固有频率及振型特征

2.5 不同预应力下的模态分析

表7为不同预应力下各阶模态频率。

表7 不同预应力下各阶模态频率表 单位：Hz

由表7可以看出，汽车减震器在两种工况下的固有频率比较接近，可以说明施加不同的预应力对汽车减震器固有频率影响较小。预应力的加载可以使减震器的固有频率有所降低。

3 结语

1) 相较于自由模态分析，预应力模态下的频率和振型更接近汽车减震器真实工作时的工作频率和振型，更能反映汽车减震器工作时的振动特性。

2) 预应力的加载可以使汽车减震器在有预应力情况下的固有频率降低，振型特征也有很大改变。

3) 两种预应力模态前2阶固有频率都接近汽车异响发生频率，所以汽车减震器在工作过程中要避开前2阶固有频率，防止共振产生，以避免车内产生异响。