CAE分析解決后橋系統模態耦合共振問題

朱曉杰，任良順

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CAE分析解決后橋系統模態耦合共振問題

朱曉杰1，任良順2

（1.耐世特汽車系統（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著國內車市發展，新生代家用車顧客對車的要求越來越高。相對前驅車型，后驅車傳動鏈長、傳動結構復雜，傳動系零部件容易受扭矩波動激勵產生共振，并傳遞給車體，引起車體零部件加振，導致車內噪聲顯著增加。為解決后橋共振引起的傳動系統轟鳴問題，文章建立了后橋總成約束模態CAE分析模型，在車型設計前期計算出后橋總成約束模態及振型，匹配模態使后橋總成零部件約束模態避開傳動系能量大的激勵頻率，顯著降低車輛振動、提升整車內噪聲學環境品質。

CAE；后橋；約束模態；模態匹配

1 前言

汽車NVH性能越來越受客戶重視，汽車開發過程中噪聲與振動控制尤為重要。其中動力傳動系統是整車NVH主要激勵源，顯著影響整車乘坐舒適性，合理匹配動力傳動系統模態以優化整車NVH性能具有實際工程價值[1]。

在動力傳動系統振動噪聲控制中，需對動力系統總成進行匹配，從而避免激勵源與子系統以及子系統之間的模態耦合。本文建立了某微車后橋的有限元模型，計算了后橋總成約束模態和振型，并對模態頻率進行了優化以避開傳動系能量大的激振頻率。對優化前后的車內噪聲進行了對比驗證，試驗結果表明：后橋模態優化后車內噪聲下降了約6dB，車內聲學環境得到了明顯改善。

2 CAE分析后橋模態工程價值

2.1 工程問題描述

在某一新車型開發過程中發現：變速器4檔和5檔，發動機轉速1500～2200rpm工況下，明顯感到車體有振動，同時車內有轟鳴聲產生，整車內噪狀況惡化，無法滿足客戶需求。駕駛員耳旁噪聲檢測結果如圖1所示。

圖1 駕駛員耳邊噪聲

通過LMS軟件對錄制的噪聲進行分析，確定車內轟鳴聲由傳動系扭矩波動激勵引發后橋殼共振產生，如不能有效解決，整車內噪超標，新車型無法上市。因而，后橋殼共振問題解決迫在眉睫，以下將對該噪聲產生機理進行分析，制定對策方案，并進行驗證分析。

使用LMS軟件對錄制的噪聲進行分析發現：后橋殼發生彎曲共振。對后橋模態進行了敲擊法測試發現：后橋殼X方向約束模態為70Hz，Z方向約束模態為65Hz，而發動機1500～2200rpm對應的傳動系激振頻率范圍為50Hz～73.3Hz，正好包含后橋殼固有約束模態頻率。本案橋殼彎曲振動發生在高檔中低速行駛工況中，該工況下傳動系扭矩波動率高，激振能量大，同時激振力頻率易與橋殼、傳動軸等零件約束模態發生耦合，產生共振，并通過懸架傳遞給車體。產生共振的后橋殼結構如圖2所示。

圖2 后橋詳細結構

為提升整車內噪聲品質，需解決后橋殼共振問題。解決方法為：讓后橋殼總成約束模態避開發動機1500～2200rpm工作狀態下的激振力頻率。即后橋殼約束模態低于50Hz，或高于73.3Hz。由于后橋殼總成是承載體，強度和剛度不能低，以免橋殼強度不足或變形過大，影響到橋殼自身及半軸軸承、半軸、懸掛支架等零部件的壽命，故橋殼模態應高于73.3Hz。但橋殼約束模態無法通過經驗公式等傳統方法計算獲得，需尋找新方法準確計算橋殼約束模態，確保改制后的橋殼滿足目標和項目進度，避免方案失敗、新開模具報廢，新車上市推遲。

經過不斷研討和驗證，成功建立了基于HyperMesh和ABAQUS有限元軟件的后橋模態計算方法，與測試結果相差在1.2Hz以內。本方法首先搭建CAE模型，將傳動軸和后懸架總成按照整車狀態進行約束，并根據零件材料定義各零件的力學性能指標和質量，最終通過ABAQUS模態計算模塊計算后橋殼約束模態。

2.2 CAE模型的建立

首先使用HyperMesh軟件對后懸總成（后橋殼包含其中）、傳動軸總成零部件進行單元格劃分：殼單元基本尺寸為8×8mm，其中減速器殼、差速器殼等鑄件采用四面體網格；單元格劃分后將分析模型導入ABAQUS軟件并進行零件間約束定義。模型初步搭建后，增加后懸架總成、傳動軸總成與車身、地面及其他底盤件的連接約束。然后輸入零件材料參數，參數入表1所示，建立的有限元模型如圖3所示。

表1 后橋總成主要參數

2.3 后橋模態振型及優化對比

通過CAE分析模型分析發現：共振橋殼（圖2 ）的“軸肩到下擺臂支架”之間的剛度不足，是橋殼Z向模態偏低的主要原因，如圖4所示。故需增加橋殼“軸肩到下擺臂支架”之間的剛度。同時發現：后橋后蓋部位的X方向彎曲剛度偏低也需加強。故模態提升方案為：增加4塊加強板（圖5），提高橋殼剛度低部位的抗彎截面系數，使橋殼X方向模態提高到70.8Hz，Z方向模態提高到74.3Hz。

圖4 后橋模態振型

圖5 后橋優化方案

橋殼增加4塊加強板后裝車測試發現：后橋X方向模態由70Hz提升到71.5Hz，Z方向模態由65Hz提升到74.5Hz，與計算基本吻合，模態提升明顯。并進行NVH評估發現：車內轟鳴聲大幅降低，且剩余的轟鳴聲在很窄的發動機轉速范圍內，改進措施有效。改進前后，駕駛員耳旁噪聲對比詳見圖6。

圖6 改進前車內噪聲曲線

3 結論

本文在對有限元法和模態理論深入理解的基礎上，建立了后橋模態分析模型，以匹配后橋模態頻率與傳動系激振頻率，避免后橋零部件固頻與能量大的激勵頻率發生耦合產生共振。并通過試驗驗證使某車型駕駛員耳邊處噪聲峰值下降約6dB，車內噪聲品質明顯改善。從而在新產品開發中避免同類共振問題發生，減少車型設計返工，縮短開發周期。更好更快地設計出高質量、客戶喜愛的好車。

[1] 林逸,馬天飛,姚為民,張建偉.汽車NVH特性研究綜述.[M]汽車工程,2002,24 (3):177-186.

[2] 畢金亮,李靜波,李宏成,田雄.動力傳動系統扭轉模態及靈敏度分析.振動工程學報,2010, 23(6): 676-680.

[3] 劉春敏,李洪亮,顧燦松,何森東.某微車低速轟鳴聲的降噪設計.[M]汽車工程師,2010(4): 53-55.

[4] 陳劍,穆國寶,張豐利.汽車NVH正向設計中的系統模態匹配策略研究[J].汽車工程,2010,32(5):369-372.

[5] 蔣孝煜.有限元法基礎.[M]北京:清華大學出版社,1992,67-69.

Avoid Modal Coupling Resonance by CAE Analysing Rear Axle Constrained Modal

Zhu Xiaojie1, Ren Liangshun2

( 1.Nexteer Automotive(Suzhou) Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215026; 2.SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007)

As the development of Chinese automotive market, customer need become stricter to new generation of auto. For rear wheel drive car, drivetrain is longer than front wheel drive car, so there is more chance to excite the drivetrain vibration. And the vibration of drivetrain easily transfers to body, making the car interior noise unacceptable. To solve the drivetrain booming problem caused by rear axle exciting, the CAE analysis model of rear axle is built to calculate the constraint mode, including the mode frequency and the mode shape. The mode frequency of rear axle should be different with drivetrain resonant frequency to reduce the vibration and improve vehicle sound quality.

CAE; rear axle; constrained modal; modal coupling

U463.5

B

1671-7988(2019)08-61-03

U463.5

B

1671-7988(2019)08-61-03

朱曉杰，資深產品工程師，助理工程師，就職于耐世特汽車系統（蘇州）有限公司工程技術中心。任良順，傳動系統主任工程師，高級工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.019