純電動汽車驅動橋模態分析

張爽， 陳長征

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110780）

0 引言

隨著全球汽車的不斷遞增，能源短缺和環境污染成為不可忽視的問題，純電動汽車 (Pure Electric Vehicle，PEV)通過電池帶動電動機實現汽車的驅動，保證了噪聲低，功率高，與傳統的內燃機汽車相比較，在環境保護方面優勢巨大[1]。純電動汽車在各國大力發展和大面積應用，對實現節約能源，保護環境起到了重要作用[2]。電動汽車的噪聲振動舒適度等因素對電動汽車的整體評價影響極大。電動汽車承受來自地面傳到驅動橋的振動，因此純電動汽車電驅動橋的固有振動頻率和振型是研究汽車振動以及舒適度的重要因素，模態分析技術是研究結構體固有特性的一種方法，對分析純電動汽車驅動橋的固有頻率和振型是必不可少的[3]。

本文利用SolidWorks對純電動汽車驅動橋進行三維建模，通過ANSYS Workbench中的模態分析模塊對驅動橋模型進行分析，提取它的前6階固有頻率和振型，然后再利用試驗模態分析方法對純電動汽車驅動橋實體進行分析，比較兩種方法獲得模態參數的同異，肯定了有限元方法獲得參數的正確性；再將獲得的模態參數與外界激勵耦合情況進行研究，為進一步研究純電動汽車驅動橋的動態特性打下基礎。1 模態分析基本理論基礎

模態分析是研究結構動力特性的一種方法[4]，對驅動橋進行模態分析可以確定其固有頻率和振型。模態分析所得的參數為進一步對振動系統進行動態設計和故障診斷提供有力的數據支持。

對于一個具有n個自由度的線性系統而言，其振動方程可表示成

由于驅動橋的阻尼系數較小，在做模態分析時，可以不考慮阻尼，模態是結構的固有特性[6]，外載對其不產生影響，所以式(1)可以簡化為

設上式的解是

A是幅值向量。

將式（3）代入式（2）得

要使A有非零向量解，則系數行列式必須是零，即

式(5)是關于ω2的n次方程。求出方程n個特征值第i個特征值的平方根ωi便是系統的第i階固有頻率。

令A（i）表示與ωi相對應的振型向量，將ω2i代入式(4)得

令i=1,2，…,n，可得出n個向量方程，便可求出n個主振型A（1），A（2），…，A（n），至此，可知n個自由度系統對應的n階固有頻率和模態[8]。

2 純電動汽車驅動橋的有限元模態分析

2.1 純電動汽車驅動橋的三維模型建立

純電動汽車驅動橋是純電動汽車的動力輸出構件，將驅動電動機、行星減速器和行星差速器集成在驅動橋殼內，具有驅動和輸出同軸，減輕產品的總體質量，降低自身的振動與噪聲等優點，同時也提高了驅動橋的可靠性。根據企業提供的數據，通過三維軟件建立驅動橋的三維模型如圖1所示。然后將建立好的驅動橋模型以x_t文文件保存。

圖1 驅動橋的三維模型

2.2 基于ANSYS Workbench純電動汽車驅動橋模態分析

將驅動橋的三維模型導入到ANSYS Workbench中的modal模塊中，首先對模型進行參數設置，根據企業提供的驅動橋各個部件的材料信息，了解到純電驅動車橋的電動機機殼材料是ZL104，端蓋的材料是Q7450，半軸套管的材料是40Cr，分別對各部件進行設定。

圖2 驅動橋模型的網格劃分結果

在設置好驅動橋的材料屬性后，對模型進行網格劃分，針對每個不同的部位，使用不同的劃分方法，關鍵部位網格需要密集一些，劃分結果如圖2所示。

圖3 驅動橋前6階模態振型

對模型網格劃分后，使驅動橋處于無約束的自由狀態下，獲得驅動橋的前6階模態固有頻率及其的振型，如圖3示是前6階模態振型，計算獲得的6階模態頻率如表1所示。

表1 驅動橋有限元分析下前6階模態頻率

3 純電動汽車驅動橋的試驗模態分析

根據純電動汽車驅動橋的實際情況，將驅動橋通過彈性繩懸吊，布置好激振點和各個測點，然后連接試驗所需測量儀器，運用力錘對驅動橋進行多次敲擊獲得試驗的模態數據，獲得的試驗模態數據圖如圖4所示，試驗得到的前6階固有頻率值與有限元模態分析的結果對比如表2所示。

圖4 試驗模態數據圖

由表2中結果可知，驅動橋的有限元模態頻率與測得的試驗模態頻率都不相同，但差別不大，經過計算，偏差在所允許的誤差范圍內(15%以內)。證明有限元模態分析的準確性，為進一步研究驅動橋的動態特性做好了準備。

表2 有限元模態分析結果與試驗模態分析結果對比

表3 汽車車速對應產生的激勵頻率

4 與路面激勵比較

純電動汽車行駛在交通公路上時，容易激發驅動橋的彎曲或扭轉變形，我們主要應避開純電動驅動橋與公路路面產生共振或減少振動量值。表3所示是汽車車速對應產生的激勵頻率。

根據表3可知，電動汽車振動系統承受路面作用的激勵多屬于0～50 Hz的垂直振動，通過上文的試驗模態分析，得到驅動橋固有頻率的范圍為79～475 Hz之間，由于驅動橋前幾階模態固有頻率不在此范圍內，因此不會因為路面的激勵引起驅動橋的共振。

5 結論

通過有限元模態分析法獲得的驅動橋固有特性的結果發現，驅動橋的固有頻率在75~480 Hz范圍內，在低頻狀態下驅動橋上下振動，在高頻狀態下驅動橋扭轉振動。本文通過有限元模態分析方法對純電動汽車驅動橋進行了分析，并且與試驗模態分析法相對比，結果表明驅動橋的有限元模態分析法的正確性。通過有限元模態分析以及試驗模態分析獲得的驅動橋模態參數與路面激勵的固有頻率相比較，結果顯示，驅動橋各階模態參數都不在路面激勵頻率內，不會產生共振，保證了驅動橋運行的可靠性。