汽车驱动桥台架异常振动问题研究

宋福强　罗培智　郑伟娟（中国第一汽车股份有限公司 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130011）



汽车驱动桥台架异常振动问题研究

宋福强罗培智郑伟娟
（中国第一汽车股份有限公司 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130011）

【摘要】针对某汽车驱动桥台架在试验过程中出现的异常振动噪声问题，利用转速跟踪分析方法和模态试验分析方法进行了研究，查明了出现异常振动的原因主要是由于台架系统共振导致。通过采用降低驱动桥总成橡胶支撑垫刚度的方法，降低了驱动桥总成的固有振动频率，从而解决了该试验台架的异常共振问题，并通过试验验证了改进方法的有效性。

主题词：驱动桥台架试验振动模态分析

1　前言

驱动桥台架用于模拟驱动桥在整车行驶过程中的工作状态，通过测功机提供动力输入，完成驱动桥总成动力输出，模拟出驱动桥内部齿轮之间存在的啮合工作情况。在利用所搭建的驱动桥台架进行试验过程中，当测功机输入转速约为3 600 r∕min时，整个台架出现了较大的异常振动，不但影响了测量结果的有效性，而且危及到测功机的安全。为此，本文针对该问题进行了分析研究，通过改变台架系统的模态耦合解决了异常振动问题。

2　驱动桥台架搭建与振动噪声测量

在全消声室内搭建了驱动桥试验台架，如图1所示。其主要由驱动系统和驱动桥振动系统组成，驱动系统由测功机和驱动轴组成，驱动桥振动系统由驱动桥总成、连接件和橡胶支撑等组成。为测试台架运转过程中的振动噪声，分别在驱动桥壳和支撑底座上布置了三向振动加速度传感器，在桥壳附近布置了噪声测量传声器（图1）。

根据驱动桥台架试验相关标准，试验时通过测功机动力输入来模拟驱动桥加速工况，采用手动模式调控测功机转速以保证驱动桥以一定转速间隔进行升速。利用法国OROS数据采集系统采集了整个升速过程中台架振动和噪声信号并进行转速跟踪分析，得到加速过程中驱动桥噪声overall曲线和驱动桥振动测点overall加速曲线，如图2和图3所示。由图2和图3可看出，当测功机转速达到3 600 r∕min时台架出现异常振动和噪声，但通过对比分析振动测点overall加速曲线可知，虽然在转速上升到3 600 r∕min时驱动桥壳体振动信号有明显的振动突变，但支撑底座振动信号却没有明显振动突变，说明振动主要发生在橡胶支撑上部的驱动桥总成上，支撑底座未出现明显的振动。

3　驱动桥台架振动试验结果分析与模态试验

3.1振动试验结果分析

通过上述分析可知，驱动桥台架出现异常振动、噪声时的峰值频率为60 Hz，此时测功机的激励频率也为60 Hz，这表明产生异常振动、噪声的根源来自于测功机驱动轴转速激励下的系统共振。

解决驱动桥台架的系统共振问题可从激励和响应两个方面着手，因旋转机械激励很难改变，所以通过改变响应频率来避免与激励频率耦合。利用模态分析方法可以得到驱动桥台架系统的模态频率分布和振型，可明确对应响应频率下系统的振动形态，为驱动桥台架结构改进提供指导。

3.2模态试验

3.2.1模态试验原理

目前，测量结构本身特性参数的方法主要有经典模态分析、运行模态分析（OMA）和运行变形振动分析（ODS）等3种，本文利用经典模态分析方法来获取驱动桥台架系统的结构信息。

模态试验激励方式采用单点激励［1］，即对被测试结构一次只激励1个点的一个方向，而在其它任何坐标上均没有激励作用。激振装置采用力锤，锤击激励提供的是一种瞬间激励，通过更换力锤锤帽可获得不同的冲击力谱和不同能量的激励信号［2，3］，因此选择合适的锤头进行锤击模态试验是关键。

利用单点激励多点响应的方法进行台架试验，即通过力锤给结构一个激励力激起结构振动，通过三向加速度振动传感器获得结构各测点响应。三向加速度振动传感器布置在驱动桥和驱动轴所组成的响应系统上，并避开结构节点位置。通过数据采集分析仪得到激励力和各点响应之间的频率响应函数，根据采样定理设置采样频率范围，测量结果是频率响应函数矩阵中的一列，用来寻求结台架系统的模态参数，模态试验原理［4］如图4所示。

3.2.2模态试验结果分析

利用LMS模态数据采集分析仪对驱动桥和驱动轴系统进行模态试验结果分析，由于台架测功机工作转速范围为1 000～5 500 r∕min，通过计算可得测功机的激励频率范围为16～91 Hz，由于是共振问题，只需针对100 Hz以内的模态参数进行识别即可。通过模态试验获得的驱动桥和驱动轴系统的传递函数FRF曲线如图5所示，根据模态理论，通过对传递函数FRF曲线的实部和虚部分析可明确系统模态频率。

由图5可看出，驱动桥和驱动轴系统的固有频率为61.1 Hz，利用LMS公司推出的PolyMax模态识别方法，可在LMS模态分析软件中查出频率为61.1 Hz系统的模态振型如图6所示。

利用LMS模态测量分析软件，采用子系统模态分解分析技术，分别对驱动轴和驱动桥进行锤击法模态测量，获得安装状态下驱动轴和驱动桥的传递函数FRF曲线，通过对传递函数FRF曲线分析可得到两个子系统的固有频率及模态振型。

经分析可知，驱动轴的固有频率为60.7 Hz，其模态振型为俯、仰运动，如图7a所示；驱动桥的固有频率为61.2 Hz，其模态振型为上、下运动，如图7b所示。二者的固有频率较接近，当驱动轴被1阶振动量激励而发生共振时，驱动桥也很容易被激励而发生共振现象，而且整个驱动桥台架系统的固有频率也在驱动轴共振频率附近，从而很容易导致驱动桥台架系统在运转过程中发生共振。

4　　驱动桥台架结构优化与试验验证

4.1驱动桥台架结构优化

根据模态分析结果可知，驱动桥台架运转过程中出现异常振动的原因主要是由于驱动桥上、下振动频率和驱动轴俯、仰振动频率发生耦合，解决此问题有两种途径：一是改变驱动轴的激励频率；二是改变驱动桥振动的固有频率。由于驱动轴存在制造、装配、工艺精度等因素的制约，更改难度较大，无法改变激励频率，因此只能从响应端入手，即改变驱动桥振动系统的固有频率。影响固有频率的因素主要为刚度和质量，因此需通过改变支撑橡胶刚度来改变驱动桥的固有频率，最后确定通过降低驱动桥支撑橡胶垫的刚度来改变驱动桥上、下振动频率。

将驱动桥橡胶支撑垫刚度降低了30%，然后对驱动桥总成再次进行了锤击法模态试验测试，得到了橡胶垫刚度降低后的驱动桥总成传递函数FRF曲线，如图8所示。从图8可看出，驱动桥总成的固有频率从原来的61.2 Hz降为51.0 Hz。

再次对驱动轴和驱动桥所组成的系统进行了锤击法模态试验测试，得到系统的传递函数FRF曲线如图9所示。由图9可看出，台架系统的固有频率从原来的61.1 Hz降到了51.7 Hz，避免了驱动轴与台架系统之间产生共振，达到了驱动桥台架结构优化的目的。

4.2台架优化结果验证

对安装降低刚度橡胶支撑垫的驱动桥台架重新进行了试验，在测功机作为动力输入的条件下，完成了驱动桥从1 000～5 000 r∕min的加速工况，发现在整个工作转速区间内，台架运行平稳，没有出现任何异常振动噪声。同时对驱动桥壳体上的振动信号进行实时监测，得到随转速变化的振动overall总值曲线，如图10所示。由图10可看出，原来在3 600 r∕min附近的振动峰值已经消失，试验结果表明台架结构优化方案准确可靠，保证了台架试验的顺利进行。

5　　结束语

针对驱动桥台架试验过程中出现异常振动噪声问题，利用转速跟踪分析方法和模态试验分析方法，查明了驱动桥台架异常振动的原因，主要是由于驱动轴在1阶振动激励下发生共振，由于驱动轴固有频率与驱动桥固有频率较接近，从而导致驱动桥也发生共振现象。通过采用降低驱动桥总成橡胶支撑垫刚度的方法，降低了驱动桥总成的固有振动频率，解决了试验台架的异常共振问题，并通过试验验证了改进方法的有效性。

参考文献

1何耀民.运用模态试验诊断汽车车架故障.北京汽车，2007 （4）：37～39.

2曹树谦，张文德，萧龙翔.振动结构模态分析理论、试验与应用.天津：天津大学出版社，2001.

3胡少为，苗同臣.结构振动理论及其应用.北京：中国建筑工业出版社，2005.

4He Jimin，Fu Zhifang.Modal analysis.Printed and bound in Great Britain by Replika Press Pvt Ltd，2001.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年1月4日。

中图分类号：U463.218

文献标识码：A

文章编号：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