轻型客车驱动桥模态计算及试验验证＊

侯锁军，郭年程

（1.河南机电高等专科学校 汽车工程系，河南 新乡 453000；

2.中国重型汽车集团有限公司技术发展中心，山东 济南 250000）

0 引言

轻型客车驱动桥振动噪声控制是整车振动噪声控制的一个重要的内容，通过台架试验研究驱动桥振动噪声控制方法需耗费大量的人力和物力，且难以测得其内部的振动情况，难以满足对驱动桥振动噪声进行全面、深入的研究。驱动桥整体动态有限元模拟可以快速、有效地分析并控制驱动桥振动噪声，对驱动桥进行模态理论计算并进行试验验证是进行整体动态模拟的前提。

1 驱动桥整体有限元模型的建立

1.1 三维模型建立

为了确保试验样件与理论模型的一致性，采用逆向工程的方法进行驱动桥整体建模。逆向工程是把实物样件转变为CAD模型而开发制造出同类先进新产品的数字化技术和模型重建技术［1］。利用德国三维光学测量系统ATOS II对驱动桥整体进行扫描测量，以获取总成装配条件下的三维点云信息，之后对各部件逐一扫描测量。图1为正在为某部件进行扫描。图2为扫描后的驱动桥点云图。

通过CATIA软件的DSE模块、QSR模块及GSD模块建立了驱动桥各零部件的三维数字化模型，如图3所示，图中用箭头指出了部分零部件在总成中的安装位置。

图1 三维光学测量系统ATOS II

图2 驱动桥总成点云

图3 驱动桥整体三维数字模型

1.2 驱动桥整体有限元模型的建立

利用HyperMesh软件进行驱动桥整体有限元模型建立，HyperMesh是杰出的有限元分析前、后处理平台，其拥有全面的CAD和CAE求解器接口、强大的几何清理和网格划分功能，能够高效地建立各种复杂模型的有限元模型。

HyperMesh支持从CATIA中直接导入三维模型，导入的模型需进行适度的几何清理，清理掉会产生许多细小单元的倒圆、小孔等几何特征，在保证计算精度的前提下缩短计算时间。此外，模型的一些几何信息在导入时可能出错，如曲面在导入时可能会出现缝隙、边界错位、重叠等问题，也需要对导入的模型进行清理及修复［2］。

对驱动桥各零部件分别划分网格，建立包含各零部件在内的驱动桥总成有限元模型。常用体网格有六面体网格和四面体网格两种，六面体网格比四面体网格既能提高计算精度又能缩短计算时间，但四面体单元划分较为简便且更能反映复杂表面的真实形状［3］，故综合考虑将齿轮、轴承等重要零部件均划分为六面体单元，只将主减速器壳和差速器壳两个表面结构复杂且不是接触部件的壳体划分为四面体单元。本文所建立驱动桥总成核心旋转系统的有限元模型如图4所示，驱动桥总成有限元模型如图5所示，有限元模型对板簧座进行了简化，另外不考虑制动系统。

图4 驱动桥主减速差速系统有限元模型

图5 驱动桥整体有限元模型

驱动桥各部件材料特性参数对驱动桥动态性能有非常重要的影响，本文严格按照驱动桥生产厂家提供的材料参数对驱动桥各零部件进行定义，主要零部件的材料参数定义如表1所示。

表1 驱动桥主要部件材料参数表

1.3 模态计算结果

对于驱动桥总成振动模态的计算运用了Abaqus软件的Lanczos特征值求解器，此求解器对于求解大型系统的大量模态时效率较高［4］。由于低阶模态对系统的振动影响比高阶大，本文只关注0～300Hz的各阶模态频率和振型，如表2所示。

2 驱动桥整体模态试验

驱动桥整体模态试验的对象为驱动桥总成，通过在驱动桥表面布置加速度传感器，在激振力作用下采集上述所有加速度传感器的频率响应函数，然后对所采集的数据进行分析处理，识别出驱动桥总成的模态频率和模态振型等模态参数。将通过模态试验得出的驱动桥模态参数与有限元模态计算结果进行对比，以验证本文所建立有限元模型是否正确、可用，为后续工作奠定良好的模型基础。

模态试验所用数据采集仪器为比利时LMS公司的Test.Lab多通道模态试验数据系统，模态试验流程图如图6所示，主要包括激振系统、拾振系统和数据处理系统三大部分。为保证试验过程中刚体模态和弹性模态充分分离，将驱动桥总成用软弹簧悬挂起来，使刚体模态和弹性体模态相差十倍以上［5］。激励方式为激振器激励，激振方向与xoy、yoz、xoz三个平面都具有一定角度，以激发出x、y、z所有三个方向上的能量。试验中的采集数据传感器为三向加速度传感器。试验所用部分仪器照片及试验现场照片如图7、图8所示。

表2 驱动桥整体计算模态频率和振型

图6 模态试验系统流程图

模态测试时需要监视相干函数以验证频响函数的有效性，所有测点的频响函数均检验了相干函数，相干系数均大于0.9，模态试验测量计算得到的驱动桥0～300Hz的各阶模态频率和振型，如表3所示。

图7 LMS测试前端及功率放大器

图8 悬吊方式及激振位置

表3 驱动桥整体试验模态频率和振型

3 对比验证及分析

把驱动桥模态频率的模拟计算结果和试验结果进行对比，以试验模态频率为基准计算模拟结果的误差，如表4所示。

表4 驱动桥整体模态频率试验值和计算值对比

由表4可见，驱动桥整体的前四阶模态频率的计算值和试验值总体相差不大，误差基本都在6%以内，说明有限元模型是可靠的、正确的，可以用来进一步分析驱动桥的整体动态有限元分析。同时发现，驱动桥整体的计算模态频率基本都比试验模态频率稍高，这是因为，在有限元模态求解的过程中接触定义是无效的，故为了求出驱动桥模态，对所有接触位置做了粘接处理，因而导致驱动桥整体刚度稍有增加，提高了驱动桥整体模型的模态频率。

4 结语

通过逆向方法建立了轻型客车驱动桥总成的三维几何模型，利用三维几何模型建立驱动桥的有限元理论模型，之后利用有限元模型计算驱动桥的模态，并对驱动桥的模态进行了试验验证，结果表明驱动桥的理论模型是正确的，可以利用此有限元模型进行驱动桥整体动态模拟，为高效、低成本寻找驱动桥振动噪声控制方法提供了前提。

（责任编辑吕春红）

［1］金涛，陈建良，童水光.逆向工程技术研究进展［J］.中国机械工程，2002，13（16）：1430－436.

［2］陈志勇，史文库，等.轻型客车车身车架整体结构有限元模态分析［J］.振动与冲击，2010，29（10）：244－246.

［3］Guan Z Q，Song C.Recent advances of research on finite element mesh generation method［J］.Journal of Computer－ Aided Design and Computer Graphics，2003，15（1）：1－14.

［4］张文元.ABAQUS动力学有限元分析指南［M］.北京：中国图书出版社，2005.

［5］沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯.模态分析理论与实验［M］.北京：北京理工大学出版社，2001.