李旭偉 王恩鵬 楊東績(jī)
摘 要:針對(duì)商用車驅(qū)動(dòng)橋殼體模態(tài)參數(shù)的識(shí)別,提出了在不同約束狀態(tài)下的仿真和測(cè)試方法,從計(jì)算和試驗(yàn)兩個(gè)方面驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。分析了不同約束工況下的結(jié)果與驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)的關(guān)聯(lián)性,為驅(qū)動(dòng)橋NVH性能的研究提供了新的思路。
關(guān)鍵詞:殼體模態(tài);驅(qū)動(dòng)橋;有限元建模;臺(tái)架試驗(yàn)
1 前言
驅(qū)動(dòng)橋是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞的關(guān)鍵部件。商用車驅(qū)動(dòng)橋承載了更大的來自于路面的作用力,其內(nèi)部的齒輪也傳遞了更大的扭矩。因此驅(qū)動(dòng)橋在工作過程中來自于內(nèi)部和外部的動(dòng)靜載荷都有涉及,其剛度、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性對(duì)于整車的疲勞耐久和NVH性能都有很大影響,對(duì)其的設(shè)計(jì)和分析具有重要的工程意義。
驅(qū)動(dòng)橋在實(shí)際工作過程中由于主減速器齒輪的嚙合傳動(dòng),會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng),振動(dòng)經(jīng)過齒輪軸、軸承傳遞到橋殼之上,橋殼隨之產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。當(dāng)發(fā)生共振的情況下,殼體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲,不但影響車輛動(dòng)力傳動(dòng)系的工作可靠性,同時(shí)還影響乘坐的舒適性[1]。很多情況下,傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的噪聲并不是在所有的行駛工況下都有,在某個(gè)車速工況下會(huì)比較明顯,需要針對(duì)這些工況做有針對(duì)性的研究。驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)可分成殼體與傳動(dòng)部件兩大部分,其中殼體為相對(duì)固定的部分,傳動(dòng)部件主要包括齒輪、軸承、半軸等在工作過程中的旋轉(zhuǎn)部件。針對(duì)這些組成部分國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都進(jìn)行了大量的分析研究。吉林大學(xué)李麗,利用CATIA對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋主減速器的軸承進(jìn)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(jì)算方法,能夠準(zhǔn)確的計(jì)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(tǒng)的變形[3]。吳孝泉驗(yàn)證某卡車驅(qū)動(dòng)橋殼的工作特性,對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析,并采用S-N方法對(duì)優(yōu)化后的橋殼進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)算計(jì)算,驗(yàn)證了優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)、剛度、強(qiáng)度及疲勞均滿足要求[4]。目前大部分的研究使用計(jì)算機(jī)仿真方法居多,更有利于得到更多的結(jié)果,計(jì)算周期一般較短,但與試驗(yàn)相結(jié)合的案例不多,這樣仿真模型的準(zhǔn)確性很難保證,對(duì)于要求較高的計(jì)算分析缺少有力的驗(yàn)證和支撐。
針對(duì)這一問題,本文提出了一種商用車驅(qū)動(dòng)橋殼體模態(tài)仿真與試驗(yàn)方法,對(duì)橋殼進(jìn)行了模態(tài)仿真,并對(duì)相同約束條件下的橋殼進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試,研究驅(qū)動(dòng)橋殼體的模態(tài)頻率和振型,將其與某特定工況下臺(tái)架測(cè)試的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)做了對(duì)比研究,為解決殼體振動(dòng)提供了可靠的方法。
2 驅(qū)動(dòng)橋殼體模態(tài)仿真計(jì)算
完整的驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性,因此有限元模型不包含驅(qū)動(dòng)橋的齒輪、軸承等傳動(dòng)部件,這也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了仿真模型的處理過程。
1-驅(qū)動(dòng)橋殼;2-差速器;3-主減速器;4-半軸;5-輪邊總成
對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼體模型采用實(shí)體網(wǎng)格劃分,由于模型本身有曲面造型,部分支座也有非常規(guī)的形狀,所以使用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)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(gè)單元和66923個(gè)節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)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(jìn)行了殼體的自由模態(tài)和約束模態(tài)分析,約束主要是模擬驅(qū)動(dòng)橋在實(shí)車安裝狀態(tài)進(jìn)行的固定方式,兩種狀態(tài)殼體的前四階模態(tài)頻率如表1所示,不考慮殼體的前六階剛體模態(tài),與約束模態(tài)相比,自由模態(tài)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(tài)振型,其中自由模態(tài)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(tài)第一階為橋殼中段沿軸向的轉(zhuǎn)動(dòng),其余幾階模態(tài)振型均為殼體兩端的擺動(dòng)振型,由于相位和擺動(dòng)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(fā)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(lì)后兩端更容易被激勵(lì)產(chǎn)生共振。
3 驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)測(cè)試分析
為了與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,本文針對(duì)同款驅(qū)動(dòng)橋的殼體進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試,自由模態(tài)使用空氣彈簧將橋殼支撐,約束狀態(tài)使用試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行約束,采用多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法,在橋殼上共布置了8個(gè)三向加速度傳感器,為縮短試驗(yàn)周期,本文使用試驗(yàn)方法來獲得殼體的模態(tài)頻率,沒有對(duì)模態(tài)振型進(jìn)行辨識(shí),使用力錘進(jìn)行激勵(lì),利用LMS設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,使用Polymax模塊進(jìn)行模態(tài)分析。
從表2可以看出測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的差別,自由模態(tài)差別較小,穩(wěn)態(tài)圖如圖7所示,約束模態(tài)相差較大,但總體偏差在5%范圍內(nèi),總結(jié)原因主要是由于仿真模型比較理想,實(shí)際結(jié)構(gòu)受材料一致性和加工工藝影響較大,實(shí)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(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)
本文針對(duì)模態(tài)測(cè)試的驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行了相關(guān)的臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試,采集殼體表面的振動(dòng)加速度信號(hào)如圖8所示,分別測(cè)試了對(duì)應(yīng)車速60和80km/h的兩種工況,在80km/h工況下,殼體橋包測(cè)點(diǎn)加速度頻域信號(hào)如圖9所示,在340Hz左右峰值明顯高于其他頻段,與約束狀態(tài)下的第三階模態(tài)頻率相近,說明殼體產(chǎn)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(dòng)響應(yīng),在輸入能量不變的情況下需要對(duì)殼體做進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn),本文只在說明殼體模態(tài)仿真和測(cè)試對(duì)解決驅(qū)動(dòng)橋NVH問題的作用和思路,對(duì)于結(jié)構(gòu)改進(jìn)沒有展開研究。
5 結(jié)論
本文利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼體進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)的識(shí)別,得到了兩種狀態(tài)下的結(jié)果,并與驅(qū)動(dòng)橋NVH測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,找出了驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲與殼體模態(tài)的相關(guān)性,為研究驅(qū)動(dòng)橋的NVH問題提供了思路,該方法具有以下特點(diǎn):
1)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)橋殼體仿真方法的可行性,以及試驗(yàn)測(cè)試方法的實(shí)用性,兩者結(jié)果對(duì)比說明可以使用仿真手段來縮短試驗(yàn)測(cè)試周期,在沒有三維模型的前提下也可使用本文的測(cè)試方案對(duì)殼體進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。
2)本文避免了對(duì)驅(qū)動(dòng)橋齒輪、軸承等傳動(dòng)部件的建模,主要專注于殼體自身的計(jì)算分析。提出殼體的仿真分析方法主要是為了驗(yàn)證本身的剛度、動(dòng)態(tài)特性,避免在工作過程中發(fā)生共振,產(chǎn)生輻射聲。
3)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)各別加速度幅值較大處的頻率與橋殼模態(tài)頻率相近,說明發(fā)生了共振現(xiàn)象。
本文對(duì)殼體的動(dòng)態(tài)性能研究只是驅(qū)動(dòng)橋NVH領(lǐng)域的一個(gè)方面,后期還應(yīng)開展驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)研究,需要對(duì)齒輪等關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),才能從根源解決驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)問題。
參考文獻(xiàn):
[1]徐中明.重型商用車驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲分析[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,24(7): 1-3.
[2]李麗.汽車后橋有限元分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)[D].長(zhǎng)春,吉林大學(xué),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(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,第51卷第17期,90-95.
[4]吳孝泉.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn).機(jī)械傳動(dòng),2016年11期,131-134.