基于ANSYS,Workbench的牵引车后桥桥壳动态特性分析

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摘 要：以某牵引车后桥桥壳为研究对象，对其进行了动态特性分析，结果表明：后桥桥壳的所有固有频率均在318.22Hz以上，远大于路面激励频率，故路面不平不会引起后桥桥壳共振;对比有限元分析、理论计算和道路试验结果可知，该后桥主、从齿啮合自激会引起桥壳共振，进而会在共振频率范围产生异常结构噪声。

关键词：后桥桥壳;共振频率;模态分析;谐响应分析;整车道路试验

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）18-123-04

Model Analysis of the Rear-Axle for Tractor Vehicle Based on the ANSYS Workbench

Bao Wanquan1， Yuan Zhaodan1， Li Shijie1， Fan Chunli1， Ning Xuesong2， Wang Jiucheng2， Wang Zehua2

（ 1.FAW Liberation Automobile Co. Ltd.， Commercial Vehicle Development Institute， Jilin Changchun 130011;

2.FAA Group Research Institute， Jilin Changchun 130011 ）

Abstract： Taking the rear-axle housing of tractor vehicle as the research object， the dynamic characteristics of the rear-axle housing are analyzed. The results show that all the natural frequencies of the rear-axle housing are above 318.22Hz， much higher than the excitation frequency of the road surface， so the uneven road surface will not cause resonance of the rear-axle housing. By comparing the results of finite element analysis， theoretical calculation and road test， the meshing self-excitation of the rear-axle will cause the resonance of the rear-axle housing， so abnormal structural noise will be generated in the resonance frequency range.

Keywords： The rear-axle housing; Resonance frequency; Model analysis; Harmonic response analysis; Vehicle road test

CLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）18-123-04

前言

驅动桥作为汽车动力总成系统和承载系统的重要组成部分，在整车行驶过程中，桥壳始终承受复杂的交变载荷[1]。驱动桥是汽车振动噪声的主要来源之一，其振动噪声水平对评价汽车舒适性起着至关重要的作用，对驱动桥桥壳进行模态分析，判断其在使用过程中是否会发生共振，有助于识别振动引起的噪声。

本文使用有限元分析方法，对后桥桥壳进行了固有频率分析和研究，同时对模态分析结果和道路试验结果进行了对比分析。

1 后桥桥壳物理模型及有限元模型建立

1.1 桥壳物理模型建立

本文研究的后桥桥壳是由桥壳本体、加强圈、后盖、轴头和支架五部分组成。针对后桥桥壳的复杂形状，在保证后桥桥壳主体结构和几何尺寸准确的前提下，对后桥桥壳三维模型进行了简化，简化桥壳中受力小且又不容易引起形状变化的结构[2]，对焊接部位进行了模拟填充，以提高网格划分质量，在Creo中建立的后桥桥壳物理模型如图1所示。

1.2 桥壳有限元模型生成

后桥桥壳有限元模型是由Creo中建立的物理模型导入Workbench生成的，导入物理模型后对其进行了必要的检查和修改，主要是为了防止模型失真和再次简化模型，删除了油位孔、放油孔、通气塞、部分圆角和倒角等。在网格划分时桥壳本体、加强圈、后盖和轴头以六面体网格为主、支架以四面体网格为主，这样既能节省运算时间又能保证计算精度。后桥桥壳有限元模型如图2所示，其材料属性定义如表1所示。

2 后桥桥壳动态特性分析

2.1 模态分析

通过对后桥桥壳的模态分析可以了解到桥壳在不同频率下的振动特性。桥壳的固有频率有无限多个，但在实际分析过程中低阶频率更具有指导意义。本文假设后桥桥壳与其相连的零部件之间的相互影响是无阻尼且无外载荷作用，则结构的动力微分方程可按文献[3]表示为：

（1）

式中：[M]为质量矩阵;[K]为刚度矩阵;{X}为位移相应向量。

根据无阻尼自由振动振型叠加原理，方程（1）可假设的解可假设为：

（2）

式中：{θ0}为各节点振幅向量;ω为固有频率;φ为相位角。

当结构发生无外界激励的振动时，结构的频率方程为：

（3）

利用Workbench中的模态分析模块对模拟实车约束下的后桥桥壳有限元模型进行求解，得到后桥桥壳的前6阶桥壳模态固有频率直方图如图3所示，前6阶桥壳模态振型图如图4所示。

通过对后桥桥壳在模拟实车约束下的前6阶模态振型图和固有频率的分析，得出在整车行驶过程中后桥桥壳主要发生弯曲变形和扭转变形，其所有固有频率均在318.22Hz以上。而路面不平引起的汽车振动，频率范围约为0.5～25Hz[4]，该后桥桥壳的固有频率远大于路面激励频率，故路面不平不会引起后桥桥壳共振。

2.2 谐响应分析

谐响应分析的目的在于确定零部件在共振频率下简谐激励作用时是否会发生损坏，避免该后桥桥壳由于共振引起的损坏。结构在简谐激励作用下的系统运动方程为[6]：

（4）

式中M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;u（t）和f（t）分别为系统的位移向量和激励向量。

其位移向量具有如下形式：

（5）

将式（5）代入式（4）解得：

（6）

式中Bd为稳态振动振幅，φd为稳态振动的初相位。由式（6）可得到系统的振动响应，经过过渡过程，系统将以稳态响应为主，呈现稳定的波形。

对后桥桥壳在0～400Hz频率范围内进行谐响应求解，得到频率与相应稳态振动幅值之间的对应关系曲线，如图5所示为该后桥桥壳幅频特性谐响应分析结果。随着频率的增大，桥壳振动幅值也随之增大，在频率318.22Hz时达到峰值，从318.22～400Hz变形幅值随频率增大呈下降趋势。如图6所示求解得到该后桥桥壳振动幅值达到最大值的频率318.22Hz对应的应变云图（a）和应力云图（b）。

通过有限元计算可知，当频率在318.22Hz时，该后桥桥壳的受迫振动幅值达到最大，但在该频率下桥壳应变和应力值远小于材料许用要求，不会造成桥壳由于共振而引起的损坏。因此应该考虑在318.22Hz时桥壳共振引起的结构噪声对牵引车NVH的影响。

3 结果对比分析

3.1 理论计算

桥壳作为承载件，地面和悬架传来的振动、传动系自身的振动都会通过桥壳相互影响。共振不利于传动系寿命，还会引发较大噪音[5]。通过理论计算可以得到后桥齿轮啮合频率，啮合频率计算公式如下：

（7）

式中：fz为齿轮啮合频率，Z1、Z2为齿轮齿数，fn为齿轮轴旋转频率。

该牵引车在行驶车速达到88km/h时理论计算得到后桥主、从齿啮合频率为318.04Hz，该后桥橋壳的第一阶固有模态频率318.22Hz与理论计算的该后桥齿轮啮合频率较为接近。因此在行驶车速在88km/h左右时，该后桥主、从齿啮合会引起桥壳的一阶模态共振。

3.2 道路试验

对装有该后桥桥壳的牵引车在标准路面上进行道路试验，后桥布置振动加速度传感器、驾驶员右耳处布置噪声传感器如图7所示，试验样车相关参数见表2，测试工况为（40～95）km/h升速工况。后桥振动试验结果阶次图和驾驶员右耳处噪声试验结果阶次图分别为图8和图9。

测试结果显示在16挡和15挡时驾驶员右耳噪声阶次分别为16阶和13.52阶，后桥振动阶次也分别为16阶和13.52阶。从阶次分析结果来看驾驶员处噪声是由后桥主、从齿啮合产生的。

结合有限元分析和理论计算结果可知驾驶员右耳处明显的“呜呜”异响噪声是由后桥主、从齿啮合自激引起的结构共振噪声。

4 结论

基于ANSYS Workbench有限元分析，对牵引车后桥桥壳进行模态分析和谐响应分析，可判定后桥桥壳不会发生由路面不平引起的桥壳共振，也不会因共振而发生损坏。

有限元分析、后桥齿轮啮合频率理论计算和整车道路试验结果对比分析可知，该牵引车在特定行驶车速范围内时，会产生由该后桥齿轮啮合引起的桥壳共振，因此会产生“呜呜”的异常结构噪声，影响驾驶舒适性。

鉴于以上分析，该有限元分析方法是可行的，分析结果具有一定指导意义。利用该方法可以在设计之初诊断产品由传动系本身引起的结构共振问题。

参考文献

[1] 徐劲力，罗文欣，饶东杰等.基于Workbench对微车后桥桥壳的轻量化研究[J].图学学报，2015，36（01）：128-132.

[2] 黄平辉，余显忠，揭钢等.汽车驱动桥桥壳静力学建模与分析[J].现代制造工程，2010，（5）：80-83.

[3] 于河山，张增密，叶俊等.基于ANSYS Workbench的叉车驱动桥桥体动静态特性分析[J].机械研究与应用，2019，32（2）：87-89.

[4] 余志生.汽车理论[M].第5版.北京：机械工业出版社，2011.

[5] 赵冰，范先虎.驱动桥桥壳振动模态分析及有限元优化研究[J].测试与试验，2018，（19）：120-122.

[6] 胡海岩.机械振动基础[M].第1版.北京：北京航空航天大学出版社， 2005.