直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模態(tài)分析及試驗研究

趙明，王統(tǒng)，譚笑，王波

?

直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模態(tài)分析及試驗研究

趙明，王統(tǒng)，譚笑，王波

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 101411）

直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼作為乘用車中最重要的一部分，其動態(tài)特性能直接影響整車的NVH性能。文章在闡述模態(tài)分析理論基礎(chǔ)上，首先對其進(jìn)行三維建模，然后對其有限元模型進(jìn)行模態(tài)仿真，運(yùn)用LMS軟件對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)測試，并通過最小二乘復(fù)頻域法對試驗?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識別。最后，將試驗結(jié)果與數(shù)值模態(tài)結(jié)果對比分析，結(jié)果表明：直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模態(tài)仿真數(shù)據(jù)與試驗?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)基本吻合,該研究方法與結(jié)果對于直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼動態(tài)特性具有一定實際指導(dǎo)作用。

直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼；模態(tài)仿真；模態(tài)測試；最小二乘復(fù)頻域法

前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)高速化及輕量化的發(fā)展，汽車的振動與噪聲問題日漸突出[1]。直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼作為汽車上主要承載構(gòu)件與傳力件，其作用主要有：支撐并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等，并將載荷傳遞給車輪。在外界條件的激勵作用下，直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼產(chǎn)生彎曲、扭振不僅造成橋殼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，更加影響整車的舒適性及駕駛平順性[2]。因此，對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)性能的研究有著至關(guān)重要的意義。

本文在模態(tài)理論的基礎(chǔ)上，建立直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模型，對模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析，從而得出模態(tài)仿真結(jié)果，采用LMS軟件對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行模態(tài)試驗，運(yùn)用最小二乘復(fù)頻域法對模態(tài)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，最終將仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)通過模態(tài)判定準(zhǔn)則進(jìn)行對比分析，得出直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼的振動特性，文中所提及的方法可用于其他驅(qū)動橋動態(tài)特性評價，對前期開發(fā)及試驗相關(guān)性問題整改方面具有較重要意義。

1 模態(tài)分析基本理論模型

模態(tài)分析是指運(yùn)用試驗和理論分析相結(jié)合的方法，以此來識別確定模態(tài)參數(shù)的過程，并通過模態(tài)參數(shù)表示的基本振動方程[3]。

對于一個n個自由度線性的定常系統(tǒng)，其基本振動方程可寫成：

式中：M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，Y為位移向量，P（t）為動激勵載荷向量，t為時間。

一般情況下，因結(jié)構(gòu)阻尼較小，對振型和固有頻率影響較小，故忽略不計。因此，無阻尼自由振動方程為：

以簡諧振動的方式解：

式中：A為位移幅值向量。

將上式整理得：

式（4）為A的齊次方程。

使系數(shù)行列式為0，得到A的非零解即

式（5）為系統(tǒng)的頻率方程。將行列式展開得到一個關(guān)于2的n次代數(shù)方程。

令i=1，2，…，n，可得出n個向量方程，由此求出n個主振型向量(1)，(2)…(i)。

2 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模態(tài)仿真

2.1 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模型建立

圖1 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼三維模型圖

直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼主要由機(jī)殼、端蓋、半軸套管三個部分組成[4]。在Solidworks中分別建立直聯(lián)驅(qū)動橋相關(guān)零部件等部分，并進(jìn)行裝配。將機(jī)殼、端蓋及半軸套管相互連接，通過焊接的方式將主體與半軸套管連接[5]。最后，得到直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼的三維模型，如下圖圖1所示。

將直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼三維模型倒入有限元軟件中，對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，由此生成了127422個節(jié)點，具有71503個單元的有限元模型，如下圖圖2所示。

圖2 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼有限元模型圖

2.2 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼模態(tài)分析

在模態(tài)理論分析的基礎(chǔ)上，利用Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)求解，提取前六階固有頻率和振型[6]。在有限元分析軟件中，圖3所示為直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼前6階模態(tài)固有頻率的振型。其前6階模態(tài)固有頻率值，如表1所示。通常情況下，低階振型決定了其結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，主要由于低階的振型相比于高階振型其對結(jié)構(gòu)的動力影響較大。結(jié)構(gòu)的振動可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合。因此，從有限元分析結(jié)果中更加顯示出直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼各階振動的方向和相對幅值大小。

通過不平的路面時，乘用車主要承受來自地面非對稱的荷載作用，此種條件下會給直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼異向彎曲或扭轉(zhuǎn)組合模態(tài)[7-8]。理論分析的前提下，汽車振動系統(tǒng)承受路面作用的激勵多屬于0～50Hz的垂直振動。本文通過Block Lanc -zos法，分析了直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼前6階固有頻率與外界激勵，其結(jié)果表明固有頻率的范圍為75Hz～475Hz之間，通過模態(tài)振型可以看出低頻條件下直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼做上下振動，而在高頻條件下直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼做上下和扭轉(zhuǎn)振動，對比發(fā)現(xiàn)直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)固有頻率不在0～50Hz范圍內(nèi)，因此不會產(chǎn)生由路面激勵引起的共振。由此可知，根據(jù)有限元分析驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，來防止橋殼本體與地面激勵產(chǎn)生共振，進(jìn)而降低了運(yùn)轉(zhuǎn)的振動和噪聲，直接提升了整車NVH性能。

表1 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼前6階模態(tài)頻率值

3 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼試驗?zāi)B(tài)分析

3.1 試驗?zāi)B(tài)分析過程

本文通過LMS軟件對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，運(yùn)用錘擊法模態(tài)測試單點激振多點測量，主要設(shè)備有：LMS軟件、、多通道采集儀、力錘、三向加速度傳感器。試驗示意圖及設(shè)備如4、圖5所示。

圖4 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼測試示意圖

圖5 試驗設(shè)備

在測試過程中，首先將直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼分解成相互之間關(guān)聯(lián)的測點，以此來創(chuàng)建其三維幾何模型，其模型結(jié)果如圖6所示。接下來，選取直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼的主激勵點，激勵點應(yīng)為橋殼本體受力大，變形多的地方、可能出現(xiàn)振動的地方，一般條件下為橋殼的節(jié)點處。最后通過力錘對橋殼的主激勵點進(jìn)行敲擊測試，鑒于實際工況下，乘用車在凹凸不平路面行駛過程中，主要承受垂直與水平方向的激勵，故敲擊點的方向應(yīng)為垂直方向的激勵點，即整車Z向。另一個作為水平方向的激勵點，即整車Y向。整車X向暫不設(shè)置激勵點。

圖6 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼幾何模型圖

創(chuàng)建其模型，布置好設(shè)備，Impact錘擊法模態(tài)測試具體步驟，第一：通道設(shè)置，將力錘的通道定義為參考通道，其他為傳感器通道；第二：錘擊示波，為了確保其精確的測試結(jié)果，設(shè)置其量程范圍；第三：錘擊設(shè)置，即觸發(fā)級、帶寬，窗及錘擊點選取等；第四：測量，通過之前的設(shè)置，進(jìn)行錘擊法模態(tài)測試[8]。試驗如圖7所示。

圖7 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼試驗過程圖

3.2 試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果

試驗?zāi)B(tài)測試分別對每個激勵點測試3次，運(yùn)用LMS軟件對所測的直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼數(shù)據(jù)處理得到其試驗?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)，如下圖圖8所示。在測試結(jié)果中選取前6階模態(tài)下的固有頻率，如下表表2所示。

表2 直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼前6階模態(tài)頻率值

4 模態(tài)仿真與試驗?zāi)B(tài)分析對比

本文在模態(tài)分析理論基礎(chǔ)上，分別對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼有限元模態(tài)及試驗?zāi)B(tài)進(jìn)行分析，將所計算及測量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行對比，其前6階模態(tài)結(jié)果如表3所示。

表3 有限元模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)的數(shù)據(jù)對比

通過對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼前6階的有限元模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，誤差均在6.5%以內(nèi)，滿足要求。分析其誤差主要產(chǎn)生的原因可能為以下5點：第一，有限元模態(tài)分析系統(tǒng)劃分的網(wǎng)格數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試驗所設(shè)定的自由度；第二，有限元分析單元點與試驗設(shè)置點的差異性；第三，分析方法的差異性；第四，有限元模型與實際模型的誤差；第五，試驗信號處理及測量的誤差。

5 結(jié)論

（1）通過分塊蘭索斯法（Block Lanczos），選取直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼的前六階固有頻率及振型，其固有頻率在為75Hz～475Hz之間，未與路面激勵產(chǎn)生共振現(xiàn)象，分析其振型結(jié)果未產(chǎn)生突變。設(shè)計滿足要求。

（2）通過LMS軟件選取錘擊法對直聯(lián)驅(qū)動橋橋殼實體模型進(jìn)行模態(tài)測試，并將試驗測試結(jié)果與有限元模態(tài)進(jìn)行對比，其誤差均在6.5%合理范圍以內(nèi)，進(jìn)一步驗證了模型的有效性。

（3）本文所采用的方法及研究成果對后續(xù)驅(qū)動橋橋殼的改善提供了有力依據(jù)，對于動態(tài)特性具有一定實際指導(dǎo)作用。

[1] 杜全輝,胡平,馬云輝.全方位優(yōu)化電動汽車的控制策略技術(shù)[J].汽車工程學(xué)報,2010(2):89-91.

[2] 胡鐵牛.輕型汽車驅(qū)動橋建模與模態(tài)分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013(1):211-216.

[3] 王暉云,呂寶占,朱思洪.基于ANSYS的輕型載貨汽車車架模態(tài)分析[J].煤礦機(jī)械,2007,3(28):59- 61.

[4] 劉為,薛克敏,李萍等.汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析和優(yōu)化[J].汽車工程,2012,34(6):523-527.

[5] 馬迅,趙幼平.輕型客車車身結(jié)構(gòu)剛度與模態(tài)的有限元分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21(1):86-88.

[6] 高偉,宋萌.汽車驅(qū)動橋殼靜動態(tài)有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2011(9):42-45.

[7] 陳國榮,唐紹華.汽車驅(qū)動橋橋殼強(qiáng)度與模態(tài)的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造.2010(2):42-43.

[8] 王統(tǒng).純電微型客車同軸直聯(lián)車橋動態(tài)特性分析[D].碩士論文, 2017:35-36.

Modal Analysis and Modal Tests of straight drive axle housing

Zhao Ming, Wang Tong, Tan Xiao, Wang Bo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 101411 )

The straight drive axle housing is the most important part of passenger car,The Dynamic characteristics can directly affect the NVH performance of the vehicle.Based on the theory of modal analysis,Fristly,the software was used to create the three dimensional model of the straight drive axle housing parts,secondly,the whole straight drive axle housing free modal is simulated.The mode test of the straight drive axle housing is carried out by using LMS Test,And the modal parameters are identified by using the PolyMAX method.Finally,the experimental results and numerical simulation results are compared and analyzed,the comparison between the results of finite element modal analysis and modal tests indicate that the results of finite element modal analysis are well agree with that of modal tests,The method and results of this study have certain practical guidance to the dynamic characteristics of the axle housing of a straight drive axle.

Straight driver axle housing; Modal analysis; Modal test; PolyMAX

B

1671-7988(2018)18-76-04

U467

B

1671-7988(2018)18-76-04

CLC NO.: U467

趙明，汽車研發(fā)工程師，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.027