直联驱动桥桥壳模态分析及试验研究

赵明，王统，谭笑，王波



直联驱动桥桥壳模态分析及试验研究

赵明，王统，谭笑，王波

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 101411）

直联驱动桥桥壳作为乘用车中最重要的一部分，其动态特性能直接影响整车的NVH性能。文章在阐述模态分析理论基础上，首先对其进行三维建模，然后对其有限元模型进行模态仿真，运用LMS软件对直联驱动桥桥壳进行试验模态测试，并通过最小二乘复频域法对试验模态数据进行参数识别。最后，将试验结果与数值模态结果对比分析，结果表明：直联驱动桥桥壳模态仿真数据与试验模态数据基本吻合,该研究方法与结果对于直联驱动桥桥壳动态特性具有一定实际指导作用。

直联驱动桥桥壳；模态仿真；模态测试；最小二乘复频域法

前言

随着汽车产业高速化及轻量化的发展，汽车的振动与噪声问题日渐突出[1]。直联驱动桥桥壳作为汽车上主要承载构件与传力件，其作用主要有：支撑并保护主减速器、差速器和半轴等，并将载荷传递给车轮。在外界条件的激励作用下，直联驱动桥桥壳产生弯曲、扭振不仅造成桥壳结构的疲劳损伤，更加影响整车的舒适性及驾驶平顺性[2]。因此，对直联驱动桥桥壳结构性能的研究有着至关重要的意义。

本文在模态理论的基础上，建立直联驱动桥桥壳模型，对模型进行有限元模态分析，从而得出模态仿真结果，采用LMS软件对直联驱动桥桥壳进行模态试验，运用最小二乘复频域法对模态试验数据进行计算，最终将仿真数据与试验数据通过模态判定准则进行对比分析，得出直联驱动桥桥壳的振动特性，文中所提及的方法可用于其他驱动桥动态特性评价，对前期开发及试验相关性问题整改方面具有较重要意义。

1 模态分析基本理论模型

模态分析是指运用试验和理论分析相结合的方法，以此来识别确定模态参数的过程，并通过模态参数表示的基本振动方程[3]。

对于一个n个自由度线性的定常系统，其基本振动方程可写成：

式中：M为系统的质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，Y为位移向量，P（t）为动激励载荷向量，t为时间。

一般情况下，因结构阻尼较小，对振型和固有频率影响较小，故忽略不计。因此，无阻尼自由振动方程为：

以简谐振动的方式解：

式中：A为位移幅值向量。

将上式整理得：

式（4）为A的齐次方程。

使系数行列式为0，得到A的非零解即

式（5）为系统的频率方程。将行列式展开得到一个关于2的n次代数方程。

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

2 直联驱动桥桥壳模态仿真

2.1 直联驱动桥桥壳模型建立

图1 直联驱动桥桥壳三维模型图

直联驱动桥桥壳主要由机壳、端盖、半轴套管三个部分组成[4]。在Solidworks中分别建立直联驱动桥相关零部件等部分，并进行装配。将机壳、端盖及半轴套管相互连接，通过焊接的方式将主体与半轴套管连接[5]。最后，得到直联驱动桥桥壳的三维模型，如下图图1所示。

将直联驱动桥桥壳三维模型倒入有限元软件中，对直联驱动桥桥壳进行自由网格划分，由此生成了127422个节点，具有71503个单元的有限元模型，如下图图2所示。

图2 直联驱动桥桥壳有限元模型图

2.2 直联驱动桥桥壳模态分析

在模态理论分析的基础上，利用Block Lanczos法进行模态求解，提取前六阶固有频率和振型[6]。在有限元分析软件中，图3所示为直联驱动桥桥壳前6阶模态固有频率的振型。其前6阶模态固有频率值，如表1所示。通常情况下，低阶振型决定了其结构的动态特性，主要由于低阶的振型相比于高阶振型其对结构的动力影响较大。结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合。因此，从有限元分析结果中更加显示出直联驱动桥桥壳各阶振动的方向和相对幅值大小。

通过不平的路面时，乘用车主要承受来自地面非对称的荷载作用，此种条件下会给直联驱动桥桥壳异向弯曲或扭转组合模态[7-8]。理论分析的前提下，汽车振动系统承受路面作用的激励多属于0～50Hz的垂直振动。本文通过Block Lanc -zos法，分析了直联驱动桥桥壳前6阶固有频率与外界激励，其结果表明固有频率的范围为75Hz～475Hz之间，通过模态振型可以看出低频条件下直联驱动桥桥壳做上下振动，而在高频条件下直联驱动桥桥壳做上下和扭转振动，对比发现直联驱动桥桥壳结构前6阶模态固有频率不在0～50Hz范围内，因此不会产生由路面激励引起的共振。由此可知，根据有限元分析驱动桥结构的固有频率及振型，来防止桥壳本体与地面激励产生共振，进而降低了运转的振动和噪声，直接提升了整车NVH性能。

表1 直联驱动桥桥壳前6阶模态频率值

3 直联驱动桥桥壳试验模态分析

3.1 试验模态分析过程

本文通过LMS软件对直联驱动桥桥壳进行模态分析，运用锤击法模态测试单点激振多点测量，主要设备有：LMS软件、、多通道采集仪、力锤、三向加速度传感器。试验示意图及设备如4、图5所示。

图4 直联驱动桥桥壳测试示意图

图5 试验设备

在测试过程中，首先将直联驱动桥桥壳分解成相互之间关联的测点，以此来创建其三维几何模型，其模型结果如图6所示。接下来，选取直联驱动桥桥壳的主激励点，激励点应为桥壳本体受力大，变形多的地方、可能出现振动的地方，一般条件下为桥壳的节点处。最后通过力锤对桥壳的主激励点进行敲击测试，鉴于实际工况下，乘用车在凹凸不平路面行驶过程中，主要承受垂直与水平方向的激励，故敲击点的方向应为垂直方向的激励点，即整车Z向。另一个作为水平方向的激励点，即整车Y向。整车X向暂不设置激励点。

图6 直联驱动桥桥壳几何模型图

创建其模型，布置好设备，Impact锤击法模态测试具体步骤，第一：通道设置，将力锤的通道定义为参考通道，其他为传感器通道；第二：锤击示波，为了确保其精确的测试结果，设置其量程范围；第三：锤击设置，即触发级、带宽，窗及锤击点选取等；第四：测量，通过之前的设置，进行锤击法模态测试[8]。试验如图7所示。

图7 直联驱动桥桥壳试验过程图

3.2 试验模态分析结果

试验模态测试分别对每个激励点测试3次，运用LMS软件对所测的直联驱动桥桥壳数据处理得到其试验模态数据，如下图图8所示。在测试结果中选取前6阶模态下的固有频率，如下表表2所示。

表2 直联驱动桥桥壳前6阶模态频率值

4 模态仿真与试验模态分析对比

本文在模态分析理论基础上，分别对直联驱动桥桥壳有限元模态及试验模态进行分析，将所计算及测量的数据来进行对比，其前6阶模态结果如表3所示。

表3 有限元模态与试验模态的数据对比

通过对直联驱动桥桥壳前6阶的有限元模态与试验模态的数据对比发现，误差均在6.5%以内，满足要求。分析其误差主要产生的原因可能为以下5点：第一，有限元模态分析系统划分的网格数量远远大于试验所设定的自由度；第二，有限元分析单元点与试验设置点的差异性；第三，分析方法的差异性；第四，有限元模型与实际模型的误差；第五，试验信号处理及测量的误差。

5 结论

（1）通过分块兰索斯法（Block Lanczos），选取直联驱动桥桥壳的前六阶固有频率及振型，其固有频率在为75Hz～475Hz之间，未与路面激励产生共振现象，分析其振型结果未产生突变。设计满足要求。

（2）通过LMS软件选取锤击法对直联驱动桥桥壳实体模型进行模态测试，并将试验测试结果与有限元模态进行对比，其误差均在6.5%合理范围以内，进一步验证了模型的有效性。

（3）本文所采用的方法及研究成果对后续驱动桥桥壳的改善提供了有力依据，对于动态特性具有一定实际指导作用。

[1] 杜全辉,胡平,马云辉.全方位优化电动汽车的控制策略技术[J].汽车工程学报,2010(2):89-91.

[2] 胡铁牛.轻型汽车驱动桥建模与模态分析[J].河北工业大学学报,2013(1):211-216.

[3] 王晖云,吕宝占,朱思洪.基于ANSYS的轻型载货汽车车架模态分析[J].煤矿机械,2007,3(28):59- 61.

[4] 刘为,薛克敏,李萍等.汽车驱动桥壳的有限元分析和优化[J].汽车工程,2012,34(6):523-527.

[5] 马迅,赵幼平.轻型客车车身结构刚度与模态的有限元分析[J].机械科学与技术,2002,21(1):86-88.

[6] 高伟,宋萌.汽车驱动桥壳静动态有限元分析[J].农业装备与车辆工程,2011(9):42-45.

[7] 陈国荣,唐绍华.汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析[J].机械设计与制造.2010(2):42-43.

[8] 王统.纯电微型客车同轴直联车桥动态特性分析[D].硕士论文, 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

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1671-7988(2018)18-76-04

CLC NO.: U467

赵明，汽车研发工程师，就职于华晨汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.027