商用車驅動橋殼體模態仿真與試驗方法研究

李旭偉 王恩鵬 楊東績

摘 要：針對商用車驅動橋殼體模態參數的識別，提出了在不同約束狀態下的仿真和測試方法，從計算和試驗兩個方面驗證方法的準確性。分析了不同約束工況下的結果與驅動橋臺架試驗振動的關聯性，為驅動橋NVH性能的研究提供了新的思路。

關鍵詞：殼體模態;驅動橋;有限元建模;臺架試驗

1 前言

驅動橋是汽車傳動系統的重要組成部分，既是車輪與車身或車架連接的部分，也是轉速和轉矩傳遞的關鍵部件。商用車驅動橋承載了更大的來自于路面的作用力，其內部的齒輪也傳遞了更大的扭矩。因此驅動橋在工作過程中來自于內部和外部的動靜載荷都有涉及，其剛度、強度和動態特性對于整車的疲勞耐久和NVH性能都有很大影響，對其的設計和分析具有重要的工程意義。

驅動橋在實際工作過程中由于主減速器齒輪的嚙合傳動，會產生相應的振動，振動經過齒輪軸、軸承傳遞到橋殼之上，橋殼隨之產生振動和噪聲。當發生共振的情況下，殼體會產生強烈的噪聲，不但影響車輛動力傳動系的工作可靠性，同時還影響乘坐的舒適性[1]。很多情況下，傳動系統發出的噪聲并不是在所有的行駛工況下都有，在某個車速工況下會比較明顯，需要針對這些工況做有針對性的研究。驅動橋系統可分成殼體與傳動部件兩大部分，其中殼體為相對固定的部分，傳動部件主要包括齒輪、軸承、半軸等在工作過程中的旋轉部件。針對這些組成部分國內外很多學者都進行了大量的分析研究。吉林大學李麗，利用CATIA對驅動橋殼進行了三維建模，然后利用有限元軟件分析了橋殼在典型工況下的受力情況和受載的疲勞壽命分析[2]。田程等人專門針對驅動橋主減速器的軸承進行研究，提出了一種考慮軸承剛度耦合性和非線性的有限元計算方法，能夠準確的計算出給定外載荷下多支撐軸系中各軸承各方向的載荷和系統的變形[3]。吳孝泉驗證某卡車驅動橋殼的工作特性，對其進行強度分析，并采用S-N方法對優化后的橋殼進行了疲勞壽命預算計算，驗證了優化后的驅動橋模態、剛度、強度及疲勞均滿足要求[4]。目前大部分的研究使用計算機仿真方法居多，更有利于得到更多的結果，計算周期一般較短，但與試驗相結合的案例不多，這樣仿真模型的準確性很難保證，對于要求較高的計算分析缺少有力的驗證和支撐。

針對這一問題，本文提出了一種商用車驅動橋殼體模態仿真與試驗方法，對橋殼進行了模態仿真，并對相同約束條件下的橋殼進行了模態測試，研究驅動橋殼體的模態頻率和振型，將其與某特定工況下臺架測試的振動噪聲數據做了對比研究，為解決殼體振動提供了可靠的方法。

2 驅動橋殼體模態仿真計算

完整的驅動橋包含殼體、主減速器、半軸、輪邊總成等零部件，如圖1所示，本文只研究殼體的動態特性，因此有限元模型不包含驅動橋的齒輪、軸承等傳動部件，這也進一步簡化了仿真模型的處理過程。

1-驅動橋殼;2-差速器;3-主減速器;4-半軸;5-輪邊總成

對驅動橋殼體模型采用實體網格劃分，由于模型本身有曲面造型，部分支座也有非常規的形狀，所以使用四面體單元進行網格劃分，如圖2所示，除殼體外還包含鋼板彈簧安裝座和輪轂軸承安裝座，共包括258742個單元和66923個節點。驅動橋殼體材料為鑄鐵，密度為7200kg/m3，彈性模量1.1GPa，泊松比為0.28。

本文分別進行了殼體的自由模態和約束模態分析，約束主要是模擬驅動橋在實車安裝狀態進行的固定方式，兩種狀態殼體的前四階模態頻率如表1所示，不考慮殼體的前六階剛體模態，與約束模態相比，自由模態低階頻率偏低。圖3和4展示了兩種邊界條件下殼體的前四階模態振型，其中自由模態振型基本為殼體整體的沿不同軸向的彎曲，包含一階彎曲和二階彎曲。約束模態第一階為橋殼中段沿軸向的轉動，其余幾階模態振型均為殼體兩端的擺動振型，由于相位和擺動方向不同形成了不同的階次，主要是由于約束使殼體的剛度發生了改變，從板簧約束處向外剛度有所降低，與殼體中段相比振型較為明顯，也說明在受到來自路面的激勵后兩端更容易被激勵產生共振。

3 驅動橋模態測試分析

為了與仿真結果進行對比研究，本文針對同款驅動橋的殼體進行了模態測試，自由模態使用空氣彈簧將橋殼支撐，約束狀態使用試驗臺架進行約束，采用多點激勵多點響應的方法，在橋殼上共布置了8個三向加速度傳感器，為縮短試驗周期，本文使用試驗方法來獲得殼體的模態頻率，沒有對模態振型進行辨識，使用力錘進行激勵，利用LMS設備進行數據的采集，使用Polymax模塊進行模態分析。

從表2可以看出測試結果與仿真結果存在一定的差別，自由模態差別較小，穩態圖如圖7所示，約束模態相差較大，但總體偏差在5%范圍內，總結原因主要是由于仿真模型比較理想，實際結構受材料一致性和加工工藝影響較大，實際的約束情況也和有限元中存在差異，造成兩者約束剛度不同。

4 驅動橋臺架試驗

本文針對模態測試的驅動橋進行了相關的臺架試驗測試，采集殼體表面的振動加速度信號如圖8所示，分別測試了對應車速60和80km/h的兩種工況，在80km/h工況下，殼體橋包測點加速度頻域信號如圖9所示，在340Hz左右峰值明顯高于其他頻段，與約束狀態下的第三階模態頻率相近，說明殼體產生了共振造成此頻率下的加速度幅值明顯增大，如果想降低此工況下的振動響應，在輸入能量不變的情況下需要對殼體做進一步的優化改進，本文只在說明殼體模態仿真和測試對解決驅動橋NVH問題的作用和思路，對于結構改進沒有展開研究。

5 結論

本文利用仿真和試驗相結合的方法，對驅動橋殼體進行了模態參數的識別，得到了兩種狀態下的結果，并與驅動橋NVH測試的數據進行了對比分析，找出了驅動橋振動噪聲與殼體模態的相關性，為研究驅動橋的NVH問題提供了思路，該方法具有以下特點：

1）驗證了驅動橋殼體仿真方法的可行性，以及試驗測試方法的實用性，兩者結果對比說明可以使用仿真手段來縮短試驗測試周期，在沒有三維模型的前提下也可使用本文的測試方案對殼體進行模態測試。

2）本文避免了對驅動橋齒輪、軸承等傳動部件的建模，主要專注于殼體自身的計算分析。提出殼體的仿真分析方法主要是為了驗證本身的剛度、動態特性，避免在工作過程中發生共振，產生輻射聲。

3）驅動橋臺架振動測試中，發現各別加速度幅值較大處的頻率與橋殼模態頻率相近，說明發生了共振現象。

本文對殼體的動態性能研究只是驅動橋NVH領域的一個方面，后期還應開展驅動橋傳動系統的相關研究，需要對齒輪等關鍵零部件進行優化改進，才能從根源解決驅動橋的振動問題。

參考文獻：

[1]徐中明.重型商用車驅動橋振動噪聲分析[J]. 重慶理工大學學報，2010，24（7）： 1-3.

[2]李麗.汽車后橋有限元分析及疲勞壽命預測[D].長春，吉林大學，2008.

[3]田程.考慮軸承剛度耦合性和非線性的多支撐軸系有限元分析方法[J]. 機械工程學報，2015，第51卷第17期，90-95.

[4]吳孝泉.汽車驅動橋殼有限元分析及結構改進.機械傳動，2016年11期，131-134.