直聯驅動橋橋殼模態分析及試驗研究

趙明，王統，譚笑，王波

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直聯驅動橋橋殼模態分析及試驗研究

趙明，王統，譚笑，王波

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 101411）

直聯驅動橋橋殼作為乘用車中最重要的一部分，其動態特性能直接影響整車的NVH性能。文章在闡述模態分析理論基礎上，首先對其進行三維建模，然后對其有限元模型進行模態仿真，運用LMS軟件對直聯驅動橋橋殼進行試驗模態測試，并通過最小二乘復頻域法對試驗模態數據進行參數識別。最后，將試驗結果與數值模態結果對比分析，結果表明：直聯驅動橋橋殼模態仿真數據與試驗模態數據基本吻合,該研究方法與結果對于直聯驅動橋橋殼動態特性具有一定實際指導作用。

直聯驅動橋橋殼；模態仿真；模態測試；最小二乘復頻域法

前言

隨著汽車產業高速化及輕量化的發展，汽車的振動與噪聲問題日漸突出[1]。直聯驅動橋橋殼作為汽車上主要承載構件與傳力件，其作用主要有：支撐并保護主減速器、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，直聯驅動橋橋殼產生彎曲、扭振不僅造成橋殼結構的疲勞損傷，更加影響整車的舒適性及駕駛平順性[2]。因此，對直聯驅動橋橋殼結構性能的研究有著至關重要的意義。

本文在模態理論的基礎上，建立直聯驅動橋橋殼模型，對模型進行有限元模態分析，從而得出模態仿真結果，采用LMS軟件對直聯驅動橋橋殼進行模態試驗，運用最小二乘復頻域法對模態試驗數據進行計算，最終將仿真數據與試驗數據通過模態判定準則進行對比分析，得出直聯驅動橋橋殼的振動特性，文中所提及的方法可用于其他驅動橋動態特性評價，對前期開發及試驗相關性問題整改方面具有較重要意義。

1 模態分析基本理論模型

模態分析是指運用試驗和理論分析相結合的方法，以此來識別確定模態參數的過程，并通過模態參數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，其基本振動方程可寫成：

式中：M為系統的質量矩陣，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，因結構阻尼較小，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。

使系數行列式為0，得到A的非零解即

式（5）為系統的頻率方程。將行列式展開得到一個關于2的n次代數方程。

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 直聯驅動橋橋殼模態仿真

2.1 直聯驅動橋橋殼模型建立

圖1 直聯驅動橋橋殼三維模型圖

直聯驅動橋橋殼主要由機殼、端蓋、半軸套管三個部分組成[4]。在Solidworks中分別建立直聯驅動橋相關零部件等部分，并進行裝配。將機殼、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，得到直聯驅動橋橋殼的三維模型，如下圖圖1所示。

將直聯驅動橋橋殼三維模型倒入有限元軟件中，對直聯驅動橋橋殼進行自由網格劃分，由此生成了127422個節點，具有71503個單元的有限元模型，如下圖圖2所示。

圖2 直聯驅動橋橋殼有限元模型圖

2.2 直聯驅動橋橋殼模態分析

在模態理論分析的基礎上，利用Block Lanczos法進行模態求解，提取前六階固有頻率和振型[6]。在有限元分析軟件中，圖3所示為直聯驅動橋橋殼前6階模態固有頻率的振型。其前6階模態固有頻率值，如表1所示。通常情況下，低階振型決定了其結構的動態特性，主要由于低階的振型相比于高階振型其對結構的動力影響較大。結構的振動可以表達為各階固有振型的線性組合。因此，從有限元分析結果中更加顯示出直聯驅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驅動橋橋殼異向彎曲或扭轉組合模態[7-8]。理論分析的前提下，汽車振動系統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，分析了直聯驅動橋橋殼前6階固有頻率與外界激勵，其結果表明固有頻率的范圍為75Hz～475Hz之間，通過模態振型可以看出低頻條件下直聯驅動橋橋殼做上下振動，而在高頻條件下直聯驅動橋橋殼做上下和扭轉振動，對比發現直聯驅動橋橋殼結構前6階模態固有頻率不在0～50Hz范圍內，因此不會產生由路面激勵引起的共振。由此可知，根據有限元分析驅動橋結構的固有頻率及振型，來防止橋殼本體與地面激勵產生共振，進而降低了運轉的振動和噪聲，直接提升了整車NVH性能。

表1 直聯驅動橋橋殼前6階模態頻率值

3 直聯驅動橋橋殼試驗模態分析

3.1 試驗模態分析過程

本文通過LMS軟件對直聯驅動橋橋殼進行模態分析，運用錘擊法模態測試單點激振多點測量，主要設備有：LMS軟件、、多通道采集儀、力錘、三向加速度傳感器。試驗示意圖及設備如4、圖5所示。

圖4 直聯驅動橋橋殼測試示意圖

圖5 試驗設備

在測試過程中，首先將直聯驅動橋橋殼分解成相互之間關聯的測點，以此來創建其三維幾何模型，其模型結果如圖6所示。接下來，選取直聯驅動橋橋殼的主激勵點，激勵點應為橋殼本體受力大，變形多的地方、可能出現振動的地方，一般條件下為橋殼的節點處。最后通過力錘對橋殼的主激勵點進行敲擊測試，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向暫不設置激勵點。

圖6 直聯驅動橋橋殼幾何模型圖

創建其模型，布置好設備，Impact錘擊法模態測試具體步驟，第一：通道設置，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果，設置其量程范圍；第三：錘擊設置，即觸發級、帶寬，窗及錘擊點選取等；第四：測量，通過之前的設置，進行錘擊法模態測試[8]。試驗如圖7所示。

圖7 直聯驅動橋橋殼試驗過程圖

3.2 試驗模態分析結果

試驗模態測試分別對每個激勵點測試3次，運用LMS軟件對所測的直聯驅動橋橋殼數據處理得到其試驗模態數據，如下圖圖8所示。在測試結果中選取前6階模態下的固有頻率，如下表表2所示。

表2 直聯驅動橋橋殼前6階模態頻率值

4 模態仿真與試驗模態分析對比

本文在模態分析理論基礎上，分別對直聯驅動橋橋殼有限元模態及試驗模態進行分析，將所計算及測量的數據來進行對比，其前6階模態結果如表3所示。

表3 有限元模態與試驗模態的數據對比

通過對直聯驅動橋橋殼前6階的有限元模態與試驗模態的數據對比發現，誤差均在6.5%以內，滿足要求。分析其誤差主要產生的原因可能為以下5點：第一，有限元模態分析系統劃分的網格數量遠遠大于試驗所設定的自由度；第二，有限元分析單元點與試驗設置點的差異性；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 結論

（1）通過分塊蘭索斯法（Block Lanczos），選取直聯驅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，未與路面激勵產生共振現象，分析其振型結果未產生突變。設計滿足要求。

（2）通過LMS軟件選取錘擊法對直聯驅動橋橋殼實體模型進行模態測試，并將試驗測試結果與有限元模態進行對比，其誤差均在6.5%合理范圍以內，進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驅動橋橋殼的改善提供了有力依據，對于動態特性具有一定實際指導作用。

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[8] 王統.純電微型客車同軸直聯車橋動態特性分析[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

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1671-7988(2018)18-76-04

U467

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1671-7988(2018)18-76-04

CLC NO.: U467

趙明，汽車研發工程師，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.027