基于ANSYS Workbench的牽引車后橋橋殼動(dòng)態(tài)特性分析

保萬(wàn)全，袁照丹，李士杰，范春利，寧雪松，王久成，王澤華

基于ANSYS Workbench的牽引車后橋橋殼動(dòng)態(tài)特性分析

保萬(wàn)全1，袁照丹1，李士杰1，范春利1，寧雪松2，王久成2，王澤華2

（1.一汽解放汽車有限公司商用車開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011；2.一汽集團(tuán)研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

以某牽引車后橋橋殼為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，結(jié)果表明：后橋橋殼的所有固有頻率均在318.22Hz以上，遠(yuǎn)大于路面激勵(lì)頻率，故路面不平不會(huì)引起后橋橋殼共振；對(duì)比有限元分析、理論計(jì)算和道路試驗(yàn)結(jié)果可知，該后橋主、從齒嚙合自激會(huì)引起橋殼共振，進(jìn)而會(huì)在共振頻率范圍產(chǎn)生異常結(jié)構(gòu)噪聲。

后橋橋殼；共振頻率；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；整車道路試驗(yàn)

前言

驅(qū)動(dòng)橋作為汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)和承載系統(tǒng)的重要組成部分，在整車行駛過(guò)程中，橋殼始終承受復(fù)雜的交變載荷[1]。驅(qū)動(dòng)橋是汽車振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一，其振動(dòng)噪聲水平對(duì)評(píng)價(jià)汽車舒適性起著至關(guān)重要的作用，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，判斷其在使用過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生共振，有助于識(shí)別振動(dòng)引起的噪聲。

本文使用有限元分析方法，對(duì)后橋橋殼進(jìn)行了固有頻率分析和研究，同時(shí)對(duì)模態(tài)分析結(jié)果和道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 后橋橋殼物理模型及有限元模型建立

1.1 橋殼物理模型建立

本文研究的后橋橋殼是由橋殼本體、加強(qiáng)圈、后蓋、軸頭和支架五部分組成。針對(duì)后橋橋殼的復(fù)雜形狀，在保證后橋橋殼主體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸準(zhǔn)確的前提下，對(duì)后橋橋殼三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化橋殼中受力小且又不容易引起形狀變化的結(jié)構(gòu)[2]，對(duì)焊接部位進(jìn)行了模擬填充，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，在Creo中建立的后橋橋殼物理模型如圖1所示。

圖1 后橋橋殼模型

1.2 橋殼有限元模型生成

后橋橋殼有限元模型是由Creo中建立的物理模型導(dǎo)入Workbench生成的，導(dǎo)入物理模型后對(duì)其進(jìn)行了必要的檢查和修改，主要是為了防止模型失真和再次簡(jiǎn)化模型，刪除了油位孔、放油孔、通氣塞、部分圓角和倒角等。在網(wǎng)格劃分時(shí)橋殼本體、加強(qiáng)圈、后蓋和軸頭以六面體網(wǎng)格為主、支架以四面體網(wǎng)格為主，這樣既能節(jié)省運(yùn)算時(shí)間又能保證計(jì)算精度。后橋橋殼有限元模型如圖2所示，其材料屬性定義如表1所示。

表1 后橋橋殼材料屬性

2 后橋橋殼動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 模態(tài)分析

通過(guò)對(duì)后橋橋殼的模態(tài)分析可以了解到橋殼在不同頻率下的振動(dòng)特性。橋殼的固有頻率有無(wú)限多個(gè)，但在實(shí)際分析過(guò)程中低階頻率更具有指導(dǎo)意義。本文假設(shè)后橋橋殼與其相連的零部件之間的相互影響是無(wú)阻尼且無(wú)外載荷作用，則結(jié)構(gòu)的動(dòng)力微分方程可按文獻(xiàn)[3]表示為：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為剛度矩陣；{X}為位移相應(yīng)向量。

根據(jù)無(wú)阻尼自由振動(dòng)振型疊加原理，方程（1）可假設(shè)的解可假設(shè)為：

式中：{0}為各節(jié)點(diǎn)振幅向量；為固有頻率；為相位角。

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生無(wú)外界激勵(lì)的振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的頻率方程為：

利用Workbench中的模態(tài)分析模塊對(duì)模擬實(shí)車約束下的后橋橋殼有限元模型進(jìn)行求解，得到后橋橋殼的前6階橋殼模態(tài)固有頻率直方圖如圖3所示，前6階橋殼模態(tài)振型圖如圖4所示。

圖4 后橋橋殼前6階模態(tài)振型圖

通過(guò)對(duì)后橋橋殼在模擬實(shí)車約束下的前6階模態(tài)振型圖和固有頻率的分析，得出在整車行駛過(guò)程中后橋橋殼主要發(fā)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，其所有固有頻率均在318.22Hz以上。而路面不平引起的汽車振動(dòng)，頻率范圍約為0.5～25Hz[4]，該后橋橋殼的固有頻率遠(yuǎn)大于路面激勵(lì)頻率，故路面不平不會(huì)引起后橋橋殼共振。

2.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析的目的在于確定零部件在共振頻率下簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用時(shí)是否會(huì)發(fā)生損壞，避免該后橋橋殼由于共振引起的損壞。結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用下的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為[6]：

式中M、C和K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；u(t)和f(t)分別為系統(tǒng)的位移向量和激勵(lì)向量。

其位移向量具有如下形式：

將式（5）代入式（4）解得：

式中Bd為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)振幅，d為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的初相位。由式（6）可得到系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，經(jīng)過(guò)過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)將以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為主，呈現(xiàn)穩(wěn)定的波形。

對(duì)后橋橋殼在0～400Hz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)求解，得到頻率與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)幅值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖5所示為該后橋橋殼幅頻特性諧響應(yīng)分析結(jié)果。隨著頻率的增大，橋殼振動(dòng)幅值也隨之增大，在頻率318.22Hz時(shí)達(dá)到峰值，從318.22～400Hz變形幅值隨頻率增大呈下降趨勢(shì)。如圖6所示求解得到該后橋橋殼振動(dòng)幅值達(dá)到最大值的頻率318.22Hz對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D（a）和應(yīng)力云圖（b）。

通過(guò)有限元計(jì)算可知，當(dāng)頻率在318.22Hz時(shí)，該后橋橋殼的受迫振動(dòng)幅值達(dá)到最大，但在該頻率下橋殼應(yīng)變和應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料許用要求，不會(huì)造成橋殼由于共振而引起的損壞。因此應(yīng)該考慮在318.22Hz時(shí)橋殼共振引起的結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)牽引車NVH的影響。

圖5 后橋橋殼幅頻特性諧響應(yīng)分析結(jié)果

圖6 后橋橋殼變形諧響應(yīng)分析結(jié)果

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 理論計(jì)算

橋殼作為承載件，地面和懸架傳來(lái)的振動(dòng)、傳動(dòng)系自身的振動(dòng)都會(huì)通過(guò)橋殼相互影響。共振不利于傳動(dòng)系壽命，還會(huì)引發(fā)較大噪音[5]。通過(guò)理論計(jì)算可以得到后橋齒輪嚙合頻率，嚙合頻率計(jì)算公式如下：

式中：fz為齒輪嚙合頻率，Z1、Z2為齒輪齒數(shù)，fn為齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率。

該牽引車在行駛車速達(dá)到88km/h時(shí)理論計(jì)算得到后橋主、從齒嚙合頻率為318.04Hz，該后橋橋殼的第一階固有模態(tài)頻率318.22Hz與理論計(jì)算的該后橋齒輪嚙合頻率較為接近。因此在行駛車速在88km/h左右時(shí)，該后橋主、從齒嚙合會(huì)引起橋殼的一階模態(tài)共振。

3.2 道路試驗(yàn)

對(duì)裝有該后橋橋殼的牽引車在標(biāo)準(zhǔn)路面上進(jìn)行道路試驗(yàn)，后橋布置振動(dòng)加速度傳感器、駕駛員右耳處布置噪聲傳感器如圖7所示，試驗(yàn)樣車相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，測(cè)試工況為（40～95）km/h升速工況。后橋振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果階次圖和駕駛員右耳處噪聲試驗(yàn)結(jié)果階次圖分別為圖8和圖9。

圖7 振動(dòng)噪聲傳感器布置圖

表2 試驗(yàn)樣車相關(guān)參數(shù)

圖9 后橋振動(dòng)階次圖

測(cè)試結(jié)果顯示在16擋和15擋時(shí)駕駛員右耳噪聲階次分別為16階和13.52階，后橋振動(dòng)階次也分別為16階和13.52階。從階次分析結(jié)果來(lái)看駕駛員處噪聲是由后橋主、從齒嚙合產(chǎn)生的。

結(jié)合有限元分析和理論計(jì)算結(jié)果可知駕駛員右耳處明顯的“嗚嗚”異響噪聲是由后橋主、從齒嚙合自激引起的結(jié)構(gòu)共振噪聲。

4 結(jié)論

基于ANSYS Workbench有限元分析，對(duì)牽引車后橋橋殼進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，可判定后橋橋殼不會(huì)發(fā)生由路面不平引起的橋殼共振，也不會(huì)因共振而發(fā)生損壞。

有限元分析、后橋齒輪嚙合頻率理論計(jì)算和整車道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，該牽引車在特定行駛車速范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由該后橋齒輪嚙合引起的橋殼共振，因此會(huì)產(chǎn)生“嗚嗚”的異常結(jié)構(gòu)噪聲，影響駕駛舒適性。

鑒于以上分析，該有限元分析方法是可行的，分析結(jié)果具有一定指導(dǎo)意義。利用該方法可以在設(shè)計(jì)之初診斷產(chǎn)品由傳動(dòng)系本身引起的結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題。

[1] 徐勁力,羅文欣,饒東杰等.基于Workbench對(duì)微車后橋橋殼的輕量 化研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2015,36（01）:128-132.

[2] 黃平輝,余顯忠,揭鋼等.汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼靜力學(xué)建模與分析[J].現(xiàn)代制造工程,2010,（5）:80-83.

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[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[5] 趙冰,范先虎.驅(qū)動(dòng)橋橋殼振動(dòng)模態(tài)分析及有限元優(yōu)化研究[J].測(cè)試與試驗(yàn),2018,（19）:120-122.

[6] 胡海巖.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M].第1版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.

Model Analysis of the Rear-Axle for Tractor Vehicle Based on the ANSYS Workbench

Bao Wanquan1, Yuan Zhaodan1, Li Shijie1, Fan Chunli1, Ning Xuesong2, Wang Jiucheng2, Wang Zehua2

( 1.FAW Liberation Automobile Co. Ltd., Commercial Vehicle Development Institute, Jilin Changchun 130011; 2.FAA Group Research Institute, Jilin Changchun 130011 )

Taking the rear-axle housing of tractor vehicle as the research object,the dynamic characteristics of the rear-axle housing are analyzed.The results show that all the natural frequencies of the rear-axle housing are above 318.22Hz,much higher than the excitation frequency of the road surface,so the uneven road surface will not cause resonance of the rear-axle housing.By comparing the results of finite element analysis,theoretical calculation and road test,the meshing self-excitation of the rear-axle will cause the resonance of the rear-axle housing,so abnormal structural noise will be generated in the resonance frequency range.

The rear-axle housing;Resonance frequency;Model analysis; Harmonic response analysis; Vehicle road test

U463

A

1671-7988(2019)18-123-04

U463

A

1671-7988(2019)18-123-04

保萬(wàn)全（1991-），男，本科，就職于一汽解放商用車開(kāi)發(fā)院，主要從事汽車傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)、試驗(yàn)方法分析與優(yōu)化等研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.041