汽車驅(qū)動橋臺架異常振動問題研究

宋福強(qiáng)　羅培智　鄭偉娟（中國第一汽車股份有限公司 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130011）

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汽車驅(qū)動橋臺架異常振動問題研究

宋福強(qiáng)羅培智鄭偉娟
（中國第一汽車股份有限公司 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130011）

【摘要】針對某汽車驅(qū)動橋臺架在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異常振動噪聲問題，利用轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法和模態(tài)試驗(yàn)分析方法進(jìn)行了研究，查明了出現(xiàn)異常振動的原因主要是由于臺架系統(tǒng)共振導(dǎo)致。通過采用降低驅(qū)動橋總成橡膠支撐墊剛度的方法，降低了驅(qū)動橋總成的固有振動頻率，從而解決了該試驗(yàn)臺架的異常共振問題，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。

主題詞：驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)振動模態(tài)分析

1　前言

驅(qū)動橋臺架用于模擬驅(qū)動橋在整車行駛過程中的工作狀態(tài)，通過測功機(jī)提供動力輸入，完成驅(qū)動橋總成動力輸出，模擬出驅(qū)動橋內(nèi)部齒輪之間存在的嚙合工作情況。在利用所搭建的驅(qū)動橋臺架進(jìn)行試驗(yàn)過程中，當(dāng)測功機(jī)輸入轉(zhuǎn)速約為3 600 r∕min時，整個臺架出現(xiàn)了較大的異常振動，不但影響了測量結(jié)果的有效性，而且危及到測功機(jī)的安全。為此，本文針對該問題進(jìn)行了分析研究，通過改變臺架系統(tǒng)的模態(tài)耦合解決了異常振動問題。

2　驅(qū)動橋臺架搭建與振動噪聲測量

在全消聲室內(nèi)搭建了驅(qū)動橋試驗(yàn)臺架，如圖1所示。其主要由驅(qū)動系統(tǒng)和驅(qū)動橋振動系統(tǒng)組成，驅(qū)動系統(tǒng)由測功機(jī)和驅(qū)動軸組成，驅(qū)動橋振動系統(tǒng)由驅(qū)動橋總成、連接件和橡膠支撐等組成。為測試臺架運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動噪聲，分別在驅(qū)動橋殼和支撐底座上布置了三向振動加速度傳感器，在橋殼附近布置了噪聲測量傳聲器（圖1）。

根據(jù)驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)時通過測功機(jī)動力輸入來模擬驅(qū)動橋加速工況，采用手動模式調(diào)控測功機(jī)轉(zhuǎn)速以保證驅(qū)動橋以一定轉(zhuǎn)速間隔進(jìn)行升速。利用法國OROS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集了整個升速過程中臺架振動和噪聲信號并進(jìn)行轉(zhuǎn)速跟蹤分析，得到加速過程中驅(qū)動橋噪聲overall曲線和驅(qū)動橋振動測點(diǎn)overall加速曲線，如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可看出，當(dāng)測功機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 600 r∕min時臺架出現(xiàn)異常振動和噪聲，但通過對比分析振動測點(diǎn)overall加速曲線可知，雖然在轉(zhuǎn)速上升到3 600 r∕min時驅(qū)動橋殼體振動信號有明顯的振動突變，但支撐底座振動信號卻沒有明顯振動突變，說明振動主要發(fā)生在橡膠支撐上部的驅(qū)動橋總成上，支撐底座未出現(xiàn)明顯的振動。

3　驅(qū)動橋臺架振動試驗(yàn)結(jié)果分析與模態(tài)試驗(yàn)

3.1振動試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述分析可知，驅(qū)動橋臺架出現(xiàn)異常振動、噪聲時的峰值頻率為60 Hz，此時測功機(jī)的激勵頻率也為60 Hz，這表明產(chǎn)生異常振動、噪聲的根源來自于測功機(jī)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速激勵下的系統(tǒng)共振。

解決驅(qū)動橋臺架的系統(tǒng)共振問題可從激勵和響應(yīng)兩個方面著手，因旋轉(zhuǎn)機(jī)械激勵很難改變，所以通過改變響應(yīng)頻率來避免與激勵頻率耦合。利用模態(tài)分析方法可以得到驅(qū)動橋臺架系統(tǒng)的模態(tài)頻率分布和振型，可明確對應(yīng)響應(yīng)頻率下系統(tǒng)的振動形態(tài)，為驅(qū)動橋臺架結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

3.2模態(tài)試驗(yàn)

3.2.1模態(tài)試驗(yàn)原理

目前，測量結(jié)構(gòu)本身特性參數(shù)的方法主要有經(jīng)典模態(tài)分析、運(yùn)行模態(tài)分析（OMA）和運(yùn)行變形振動分析（ODS）等3種，本文利用經(jīng)典模態(tài)分析方法來獲取驅(qū)動橋臺架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息。

模態(tài)試驗(yàn)激勵方式采用單點(diǎn)激勵［1］，即對被測試結(jié)構(gòu)一次只激勵1個點(diǎn)的一個方向，而在其它任何坐標(biāo)上均沒有激勵作用。激振裝置采用力錘，錘擊激勵提供的是一種瞬間激勵，通過更換力錘錘帽可獲得不同的沖擊力譜和不同能量的激勵信號［2，3］，因此選擇合適的錘頭進(jìn)行錘擊模態(tài)試驗(yàn)是關(guān)鍵。

利用單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)的方法進(jìn)行臺架試驗(yàn)，即通過力錘給結(jié)構(gòu)一個激勵力激起結(jié)構(gòu)振動，通過三向加速度振動傳感器獲得結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)響應(yīng)。三向加速度振動傳感器布置在驅(qū)動橋和驅(qū)動軸所組成的響應(yīng)系統(tǒng)上，并避開結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置。通過數(shù)據(jù)采集分析儀得到激勵力和各點(diǎn)響應(yīng)之間的頻率響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)采樣定理設(shè)置采樣頻率范圍，測量結(jié)果是頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣中的一列，用來尋求結(jié)臺架系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，模態(tài)試驗(yàn)原理［4］如圖4所示。

3.2.2模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

利用LMS模態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀對驅(qū)動橋和驅(qū)動軸系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析，由于臺架測功機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍為1 000～5 500 r∕min，通過計算可得測功機(jī)的激勵頻率范圍為16～91 Hz，由于是共振問題，只需針對100 Hz以內(nèi)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別即可。通過模態(tài)試驗(yàn)獲得的驅(qū)動橋和驅(qū)動軸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)FRF曲線如圖5所示，根據(jù)模態(tài)理論，通過對傳遞函數(shù)FRF曲線的實(shí)部和虛部分析可明確系統(tǒng)模態(tài)頻率。

由圖5可看出，驅(qū)動橋和驅(qū)動軸系統(tǒng)的固有頻率為61.1 Hz，利用LMS公司推出的PolyMax模態(tài)識別方法，可在LMS模態(tài)分析軟件中查出頻率為61.1 Hz系統(tǒng)的模態(tài)振型如圖6所示。

利用LMS模態(tài)測量分析軟件，采用子系統(tǒng)模態(tài)分解分析技術(shù)，分別對驅(qū)動軸和驅(qū)動橋進(jìn)行錘擊法模態(tài)測量，獲得安裝狀態(tài)下驅(qū)動軸和驅(qū)動橋的傳遞函數(shù)FRF曲線，通過對傳遞函數(shù)FRF曲線分析可得到兩個子系統(tǒng)的固有頻率及模態(tài)振型。

經(jīng)分析可知，驅(qū)動軸的固有頻率為60.7 Hz，其模態(tài)振型為俯、仰運(yùn)動，如圖7a所示；驅(qū)動橋的固有頻率為61.2 Hz，其模態(tài)振型為上、下運(yùn)動，如圖7b所示。二者的固有頻率較接近，當(dāng)驅(qū)動軸被1階振動量激勵而發(fā)生共振時，驅(qū)動橋也很容易被激勵而發(fā)生共振現(xiàn)象，而且整個驅(qū)動橋臺架系統(tǒng)的固有頻率也在驅(qū)動軸共振頻率附近，從而很容易導(dǎo)致驅(qū)動橋臺架系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生共振。

4　　驅(qū)動橋臺架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1驅(qū)動橋臺架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，驅(qū)動橋臺架運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)異常振動的原因主要是由于驅(qū)動橋上、下振動頻率和驅(qū)動軸俯、仰振動頻率發(fā)生耦合，解決此問題有兩種途徑：一是改變驅(qū)動軸的激勵頻率；二是改變驅(qū)動橋振動的固有頻率。由于驅(qū)動軸存在制造、裝配、工藝精度等因素的制約，更改難度較大，無法改變激勵頻率，因此只能從響應(yīng)端入手，即改變驅(qū)動橋振動系統(tǒng)的固有頻率。影響固有頻率的因素主要為剛度和質(zhì)量，因此需通過改變支撐橡膠剛度來改變驅(qū)動橋的固有頻率，最后確定通過降低驅(qū)動橋支撐橡膠墊的剛度來改變驅(qū)動橋上、下振動頻率。

將驅(qū)動橋橡膠支撐墊剛度降低了30%，然后對驅(qū)動橋總成再次進(jìn)行了錘擊法模態(tài)試驗(yàn)測試，得到了橡膠墊剛度降低后的驅(qū)動橋總成傳遞函數(shù)FRF曲線，如圖8所示。從圖8可看出，驅(qū)動橋總成的固有頻率從原來的61.2 Hz降為51.0 Hz。

再次對驅(qū)動軸和驅(qū)動橋所組成的系統(tǒng)進(jìn)行了錘擊法模態(tài)試驗(yàn)測試，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)FRF曲線如圖9所示。由圖9可看出，臺架系統(tǒng)的固有頻率從原來的61.1 Hz降到了51.7 Hz，避免了驅(qū)動軸與臺架系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振，達(dá)到了驅(qū)動橋臺架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

4.2臺架優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

對安裝降低剛度橡膠支撐墊的驅(qū)動橋臺架重新進(jìn)行了試驗(yàn)，在測功機(jī)作為動力輸入的條件下，完成了驅(qū)動橋從1 000～5 000 r∕min的加速工況，發(fā)現(xiàn)在整個工作轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，臺架運(yùn)行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)任何異常振動噪聲。同時對驅(qū)動橋殼體上的振動信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，得到隨轉(zhuǎn)速變化的振動overall總值曲線，如圖10所示。由圖10可看出，原來在3 600 r∕min附近的振動峰值已經(jīng)消失，試驗(yàn)結(jié)果表明臺架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案準(zhǔn)確可靠，保證了臺架試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

5　　結(jié)束語

針對驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常振動噪聲問題，利用轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法和模態(tài)試驗(yàn)分析方法，查明了驅(qū)動橋臺架異常振動的原因，主要是由于驅(qū)動軸在1階振動激勵下發(fā)生共振，由于驅(qū)動軸固有頻率與驅(qū)動橋固有頻率較接近，從而導(dǎo)致驅(qū)動橋也發(fā)生共振現(xiàn)象。通過采用降低驅(qū)動橋總成橡膠支撐墊剛度的方法，降低了驅(qū)動橋總成的固有振動頻率，解決了試驗(yàn)臺架的異常共振問題，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

1何耀民.運(yùn)用模態(tài)試驗(yàn)診斷汽車車架故障.北京汽車，2007 （4）：37～39.

2曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論、試驗(yàn)與應(yīng)用.天津：天津大學(xué)出版社，2001.

3胡少為，苗同臣.結(jié)構(gòu)振動理論及其應(yīng)用.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

4He Jimin，F(xiàn)u Zhifang.Modal analysis.Printed and bound in Great Britain by Replika Press Pvt Ltd，2001.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月4日。

中圖分類號：U463.218

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）06-0041-03

Bench Test Research on Abnormal Vibration of Vehicle Driving Axle

Song Fuqiang，Luo Peizhi，Zheng Weijuan
（State Key Laboratory of Automotive Vibration，Noise and Safety Control Technology，China FAW Co.，Ltd R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】Abnormal vibration and noise are identified in an automotive driving axle in bench test.To address this problem，we use the revolution tracing analysis method and modal experiment analysis method for research，and find out that this abnormal vibration is caused by bench system resonance.We solve this abnormal resonance of the test bench by reducing stiffness of the rubber mounting pad，which reduces inherent vibration frequency of the driving axle assembly. Effectiveness of the improvement is verified with test.

Key words:Driving axle，Bench，Vibration，Modal analysis