汽車驅動橋臺架異常振動問題研究

宋福強　羅培智　鄭偉娟（中國第一汽車股份有限公司 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130011）

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汽車驅動橋臺架異常振動問題研究

宋福強羅培智鄭偉娟
（中國第一汽車股份有限公司 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130011）

【摘要】針對某汽車驅動橋臺架在試驗過程中出現的異常振動噪聲問題，利用轉速跟蹤分析方法和模態試驗分析方法進行了研究，查明了出現異常振動的原因主要是由于臺架系統共振導致。通過采用降低驅動橋總成橡膠支撐墊剛度的方法，降低了驅動橋總成的固有振動頻率，從而解決了該試驗臺架的異常共振問題，并通過試驗驗證了改進方法的有效性。

主題詞：驅動橋臺架試驗振動模態分析

1　前言

驅動橋臺架用于模擬驅動橋在整車行駛過程中的工作狀態，通過測功機提供動力輸入，完成驅動橋總成動力輸出，模擬出驅動橋內部齒輪之間存在的嚙合工作情況。在利用所搭建的驅動橋臺架進行試驗過程中，當測功機輸入轉速約為3 600 r∕min時，整個臺架出現了較大的異常振動，不但影響了測量結果的有效性，而且危及到測功機的安全。為此，本文針對該問題進行了分析研究，通過改變臺架系統的模態耦合解決了異常振動問題。

2　驅動橋臺架搭建與振動噪聲測量

在全消聲室內搭建了驅動橋試驗臺架，如圖1所示。其主要由驅動系統和驅動橋振動系統組成，驅動系統由測功機和驅動軸組成，驅動橋振動系統由驅動橋總成、連接件和橡膠支撐等組成。為測試臺架運轉過程中的振動噪聲，分別在驅動橋殼和支撐底座上布置了三向振動加速度傳感器，在橋殼附近布置了噪聲測量傳聲器（圖1）。

根據驅動橋臺架試驗相關標準，試驗時通過測功機動力輸入來模擬驅動橋加速工況，采用手動模式調控測功機轉速以保證驅動橋以一定轉速間隔進行升速。利用法國OROS數據采集系統采集了整個升速過程中臺架振動和噪聲信號并進行轉速跟蹤分析，得到加速過程中驅動橋噪聲overall曲線和驅動橋振動測點overall加速曲線，如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可看出，當測功機轉速達到3 600 r∕min時臺架出現異常振動和噪聲，但通過對比分析振動測點overall加速曲線可知，雖然在轉速上升到3 600 r∕min時驅動橋殼體振動信號有明顯的振動突變，但支撐底座振動信號卻沒有明顯振動突變，說明振動主要發生在橡膠支撐上部的驅動橋總成上，支撐底座未出現明顯的振動。

3　驅動橋臺架振動試驗結果分析與模態試驗

3.1振動試驗結果分析

通過上述分析可知，驅動橋臺架出現異常振動、噪聲時的峰值頻率為60 Hz，此時測功機的激勵頻率也為60 Hz，這表明產生異常振動、噪聲的根源來自于測功機驅動軸轉速激勵下的系統共振。

解決驅動橋臺架的系統共振問題可從激勵和響應兩個方面著手，因旋轉機械激勵很難改變，所以通過改變響應頻率來避免與激勵頻率耦合。利用模態分析方法可以得到驅動橋臺架系統的模態頻率分布和振型，可明確對應響應頻率下系統的振動形態，為驅動橋臺架結構改進提供指導。

3.2模態試驗

3.2.1模態試驗原理

目前，測量結構本身特性參數的方法主要有經典模態分析、運行模態分析（OMA）和運行變形振動分析（ODS）等3種，本文利用經典模態分析方法來獲取驅動橋臺架系統的結構信息。

模態試驗激勵方式采用單點激勵［1］，即對被測試結構一次只激勵1個點的一個方向，而在其它任何坐標上均沒有激勵作用。激振裝置采用力錘，錘擊激勵提供的是一種瞬間激勵，通過更換力錘錘帽可獲得不同的沖擊力譜和不同能量的激勵信號［2，3］，因此選擇合適的錘頭進行錘擊模態試驗是關鍵。

利用單點激勵多點響應的方法進行臺架試驗，即通過力錘給結構一個激勵力激起結構振動，通過三向加速度振動傳感器獲得結構各測點響應。三向加速度振動傳感器布置在驅動橋和驅動軸所組成的響應系統上，并避開結構節點位置。通過數據采集分析儀得到激勵力和各點響應之間的頻率響應函數，根據采樣定理設置采樣頻率范圍，測量結果是頻率響應函數矩陣中的一列，用來尋求結臺架系統的模態參數，模態試驗原理［4］如圖4所示。

3.2.2模態試驗結果分析

利用LMS模態數據采集分析儀對驅動橋和驅動軸系統進行模態試驗結果分析，由于臺架測功機工作轉速范圍為1 000～5 500 r∕min，通過計算可得測功機的激勵頻率范圍為16～91 Hz，由于是共振問題，只需針對100 Hz以內的模態參數進行識別即可。通過模態試驗獲得的驅動橋和驅動軸系統的傳遞函數FRF曲線如圖5所示，根據模態理論，通過對傳遞函數FRF曲線的實部和虛部分析可明確系統模態頻率。

由圖5可看出，驅動橋和驅動軸系統的固有頻率為61.1 Hz，利用LMS公司推出的PolyMax模態識別方法，可在LMS模態分析軟件中查出頻率為61.1 Hz系統的模態振型如圖6所示。

利用LMS模態測量分析軟件，采用子系統模態分解分析技術，分別對驅動軸和驅動橋進行錘擊法模態測量，獲得安裝狀態下驅動軸和驅動橋的傳遞函數FRF曲線，通過對傳遞函數FRF曲線分析可得到兩個子系統的固有頻率及模態振型。

經分析可知，驅動軸的固有頻率為60.7 Hz，其模態振型為俯、仰運動，如圖7a所示；驅動橋的固有頻率為61.2 Hz，其模態振型為上、下運動，如圖7b所示。二者的固有頻率較接近，當驅動軸被1階振動量激勵而發生共振時，驅動橋也很容易被激勵而發生共振現象，而且整個驅動橋臺架系統的固有頻率也在驅動軸共振頻率附近，從而很容易導致驅動橋臺架系統在運轉過程中發生共振。

4　　驅動橋臺架結構優化與試驗驗證

4.1驅動橋臺架結構優化

根據模態分析結果可知，驅動橋臺架運轉過程中出現異常振動的原因主要是由于驅動橋上、下振動頻率和驅動軸俯、仰振動頻率發生耦合，解決此問題有兩種途徑：一是改變驅動軸的激勵頻率；二是改變驅動橋振動的固有頻率。由于驅動軸存在制造、裝配、工藝精度等因素的制約，更改難度較大，無法改變激勵頻率，因此只能從響應端入手，即改變驅動橋振動系統的固有頻率。影響固有頻率的因素主要為剛度和質量，因此需通過改變支撐橡膠剛度來改變驅動橋的固有頻率，最后確定通過降低驅動橋支撐橡膠墊的剛度來改變驅動橋上、下振動頻率。

將驅動橋橡膠支撐墊剛度降低了30%，然后對驅動橋總成再次進行了錘擊法模態試驗測試，得到了橡膠墊剛度降低后的驅動橋總成傳遞函數FRF曲線，如圖8所示。從圖8可看出，驅動橋總成的固有頻率從原來的61.2 Hz降為51.0 Hz。

再次對驅動軸和驅動橋所組成的系統進行了錘擊法模態試驗測試，得到系統的傳遞函數FRF曲線如圖9所示。由圖9可看出，臺架系統的固有頻率從原來的61.1 Hz降到了51.7 Hz，避免了驅動軸與臺架系統之間產生共振，達到了驅動橋臺架結構優化的目的。

4.2臺架優化結果驗證

對安裝降低剛度橡膠支撐墊的驅動橋臺架重新進行了試驗，在測功機作為動力輸入的條件下，完成了驅動橋從1 000～5 000 r∕min的加速工況，發現在整個工作轉速區間內，臺架運行平穩，沒有出現任何異常振動噪聲。同時對驅動橋殼體上的振動信號進行實時監測，得到隨轉速變化的振動overall總值曲線，如圖10所示。由圖10可看出，原來在3 600 r∕min附近的振動峰值已經消失，試驗結果表明臺架結構優化方案準確可靠，保證了臺架試驗的順利進行。

5　　結束語

針對驅動橋臺架試驗過程中出現異常振動噪聲問題，利用轉速跟蹤分析方法和模態試驗分析方法，查明了驅動橋臺架異常振動的原因，主要是由于驅動軸在1階振動激勵下發生共振，由于驅動軸固有頻率與驅動橋固有頻率較接近，從而導致驅動橋也發生共振現象。通過采用降低驅動橋總成橡膠支撐墊剛度的方法，降低了驅動橋總成的固有振動頻率，解決了試驗臺架的異常共振問題，并通過試驗驗證了改進方法的有效性。

參考文獻

1何耀民.運用模態試驗診斷汽車車架故障.北京汽車，2007 （4）：37～39.

2曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析理論、試驗與應用.天津：天津大學出版社，2001.

3胡少為，苗同臣.結構振動理論及其應用.北京：中國建筑工業出版社，2005.

4He Jimin，Fu Zhifang.Modal analysis.Printed and bound in Great Britain by Replika Press Pvt Ltd，2001.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月4日。

中圖分類號：U463.218

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）06-0041-03

Bench Test Research on Abnormal Vibration of Vehicle Driving Axle

Song Fuqiang，Luo Peizhi，Zheng Weijuan
（State Key Laboratory of Automotive Vibration，Noise and Safety Control Technology，China FAW Co.，Ltd R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】Abnormal vibration and noise are identified in an automotive driving axle in bench test.To address this problem，we use the revolution tracing analysis method and modal experiment analysis method for research，and find out that this abnormal vibration is caused by bench system resonance.We solve this abnormal resonance of the test bench by reducing stiffness of the rubber mounting pad，which reduces inherent vibration frequency of the driving axle assembly. Effectiveness of the improvement is verified with test.

Key words:Driving axle，Bench，Vibration，Modal analysis