李旭伟 王恩鹏 杨东绩

摘 要：针对商用车驱动桥壳体模态参数的识别，提出了在不同约束状态下的仿真和测试方法，从计算和试验两个方面验证方法的准确性。分析了不同约束工况下的结果与驱动桥台架试验振动的关联性，为驱动桥NVH性能的研究提供了新的思路。

关键词：壳体模态;驱动桥;有限元建模;台架试验

1 前言

驱动桥是汽车传动系统的重要组成部分，既是车轮与车身或车架连接的部分，也是转速和转矩传递的关键部件。商用车驱动桥承载了更大的来自于路面的作用力，其内部的齿轮也传递了更大的扭矩。因此驱动桥在工作过程中来自于内部和外部的动静载荷都有涉及，其刚度、强度和动态特性对于整车的疲劳耐久和NVH性能都有很大影响，对其的设计和分析具有重要的工程意义。

驱动桥在实际工作过程中由于主减速器齿轮的啮合传动，会产生相应的振动，振动经过齿轮轴、轴承传递到桥壳之上，桥壳随之产生振动和噪声。当发生共振的情况下，壳体会产生强烈的噪声，不但影响车辆动力传动系的工作可靠性，同时还影响乘坐的舒适性[1]。很多情况下，传动系统发出的噪声并不是在所有的行驶工况下都有，在某个车速工况下会比较明显，需要针对这些工况做有针对性的研究。驱动桥系统可分成壳体与传动部件两大部分，其中壳体为相对固定的部分，传动部件主要包括齿轮、轴承、半轴等在工作过程中的旋转部件。针对这些组成部分国内外很多学者都进行了大量的分析研究。吉林大学李丽，利用CATIA对驱动桥壳进行了三维建模，然后利用有限元软件分析了桥壳在典型工况下的受力情况和受载的疲劳寿命分析[2]。田程等人专门针对驱动桥主减速器的轴承进行研究，提出了一种考虑轴承刚度耦合性和非线性的有限元计算方法，能够准确的计算出给定外载荷下多支撑轴系中各轴承各方向的载荷和系统的变形[3]。吴孝泉验证某卡车驱动桥壳的工作特性，对其进行强度分析，并采用S-N方法对优化后的桥壳进行了疲劳寿命预算计算，验证了优化后的驱动桥模态、刚度、强度及疲劳均满足要求[4]。目前大部分的研究使用計算机仿真方法居多，更有利于得到更多的结果，计算周期一般较短，但与试验相结合的案例不多，这样仿真模型的准确性很难保证，对于要求较高的计算分析缺少有力的验证和支撑。

针对这一问题，本文提出了一种商用车驱动桥壳体模态仿真与试验方法，对桥壳进行了模态仿真，并对相同约束条件下的桥壳进行了模态测试，研究驱动桥壳体的模态频率和振型，将其与某特定工况下台架测试的振动噪声数据做了对比研究，为解决壳体振动提供了可靠的方法。

2 驱动桥壳体模态仿真计算

完整的驱动桥包含壳体、主减速器、半轴、轮边总成等零部件，如图1所示，本文只研究壳体的动态特性，因此有限元模型不包含驱动桥的齿轮、轴承等传动部件，这也进一步简化了仿真模型的处理过程。

1-驱动桥壳;2-差速器;3-主减速器;4-半轴;5-轮边总成

对驱动桥壳体模型采用实体网格划分，由于模型本身有曲面造型，部分支座也有非常规的形状，所以使用四面体单元进行网格划分，如图2所示，除壳体外还包含钢板弹簧安装座和轮毂轴承安装座，共包括258742个单元和66923个节点。驱动桥壳体材料为铸铁，密度为7200kg/m3，弹性模量1.1GPa，泊松比为0.28。

本文分别进行了壳体的自由模态和约束模态分析，约束主要是模拟驱动桥在实车安装状态进行的固定方式，两种状态壳体的前四阶模态频率如表1所示，不考虑壳体的前六阶刚体模态，与约束模态相比，自由模态低阶频率偏低。图3和4展示了两种边界条件下壳体的前四阶模态振型，其中自由模态振型基本为壳体整体的沿不同轴向的弯曲，包含一阶弯曲和二阶弯曲。约束模态第一阶为桥壳中段沿轴向的转动，其余几阶模态振型均为壳体两端的摆动振型，由于相位和摆动方向不同形成了不同的阶次，主要是由于约束使壳体的刚度发生了改变，从板簧约束处向外刚度有所降低，与壳体中段相比振型较为明显，也说明在受到来自路面的激励后两端更容易被激励产生共振。

3 驱动桥模态测试分析

为了与仿真结果进行对比研究，本文针对同款驱动桥的壳体进行了模态测试，自由模态使用空气弹簧将桥壳支撑，约束状态使用试验台架进行约束，采用多点激励多点响应的方法，在桥壳上共布置了8个三向加速度传感器，为缩短试验周期，本文使用试验方法来获得壳体的模态频率，没有对模态振型进行辨识，使用力锤进行激励，利用LMS设备进行数据的采集，使用Polymax模块进行模态分析。

从表2可以看出测试结果与仿真结果存在一定的差别，自由模态差别较小，稳态图如图7所示，约束模态相差较大，但总体偏差在5%范围内，总结原因主要是由于仿真模型比较理想，实际结构受材料一致性和加工工艺影响较大，实际的约束情况也和有限元中存在差异，造成两者约束刚度不同。

4 驱动桥台架试验

本文针对模态测试的驱动桥进行了相关的台架试验测试，采集壳体表面的振动加速度信号如图8所示，分别测试了对应车速60和80km/h的两种工况，在80km/h工况下，壳体桥包测点加速度频域信号如图9所示，在340Hz左右峰值明显高于其他频段，与约束状态下的第三阶模态频率相近，说明壳体产生了共振造成此频率下的加速度幅值明显增大，如果想降低此工况下的振动响应，在输入能量不变的情况下需要对壳体做进一步的优化改进，本文只在说明壳体模态仿真和测试对解决驱动桥NVH问题的作用和思路，对于结构改进没有展开研究。

5 结论

本文利用仿真和试验相结合的方法，对驱动桥壳体进行了模态参数的识别，得到了两种状态下的结果，并与驱动桥NVH测试的数据进行了对比分析，找出了驱动桥振动噪声与壳体模态的相关性，为研究驱动桥的NVH问题提供了思路，该方法具有以下特点：

1）验证了驱动桥壳体仿真方法的可行性，以及试验测试方法的实用性，两者结果对比说明可以使用仿真手段来缩短试验测试周期，在没有三维模型的前提下也可使用本文的测试方案对壳体进行模态测试。

2）本文避免了对驱动桥齿轮、轴承等传动部件的建模，主要专注于壳体自身的计算分析。提出壳体的仿真分析方法主要是为了验证本身的刚度、动态特性，避免在工作过程中发生共振，产生辐射声。

3）驱动桥台架振动测试中，发现各别加速度幅值较大处的频率与桥壳模态频率相近，说明发生了共振现象。

本文对壳体的动态性能研究只是驱动桥NVH领域的一个方面，后期还应开展驱动桥传动系统的相关研究，需要对齿轮等关键零部件进行优化改进，才能从根源解决驱动桥的振动问题。

参考文献：

[1]徐中明.重型商用车驱动桥振动噪声分析[J]. 重庆理工大学学报，2010，24（7）： 1-3.

[2]李丽.汽车后桥有限元分析及疲劳寿命预测[D].长春，吉林大学，2008.

[3]田程.考虑轴承刚度耦合性和非线性的多支撑轴系有限元分析方法[J]. 机械工程学报，2015，第51卷第17期，90-95.

[4]吴孝泉.汽车驱动桥壳有限元分析及结构改进.机械传动，2016年11期，131-134.