机油乳化
10.16638/jki.1671-7988.2019.08.019
朱晓杰1，任良顺2
（1.耐世特汽车系统（苏州）有限公司，江苏苏州215026；
2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）
摘要：随着国内车市发展，新生代家用车顾客对车的要求越来越高。相对前驱车型，后驱车传动链长、传动结构复杂，传动系零部件容易受扭矩波动激励产生共振，并传递给车体，引起车体零部件加振，导致车内噪声显著增加。为解决后桥共振引起的传动系统轰鸣问题，文章建立了后桥总成约束模态CAE分析模型，在车型设计前期计算出后桥总成约束模态及振型，匹配模态使后桥总成零部件约束模态避开传动系能量大的激励频率，显著降低车辆振动、提升整车内噪声学环境品质。
关键词：CAE；后桥；约束模态；模态匹配
中图分类号：U463.5 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)08-61-03
Avoid Modal Coupling Resonance by CAE Analysing Rear Axle Constrained Modal
Zhu Xiaojie1, Ren Liangshun2
( 1.Nexteer Automotive(Suzhou) Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215026;
2.SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )
Abstract: As the development of Chinese automotive market, customer need become stricter to new generation of auto. For rear wheel drive car, drivetrain is longer than front wheel drive car, so there is more chance to excite the drivetrain vibration. And the vibration of drivetrain easily transfers to body, making the car interior noise unacceptable. To solve the drivetrain booming problem caused by rear axle exciting, the CAE analysis model of rear axle is built to calculate the constraint mode, including the mode frequency and the mode shape. The mode frequency of rear axle should be different with drivetrain resonant frequency to reduce the vibration and improve vehicle sound quality.
Keywords: CAE; rear axle; constrained modal; modal coupling
CLC NO.: U463.5 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)08-61-03
隆鑫摩托1 前言
汽车NVH性能越来越受客户重视，汽车开发过程中噪声与振动控制尤为重要。其中动力传动系统是整车NVH主要激励源，显著影响整车乘坐舒适性，合理匹配动力传动系统模态以优化整车NVH性能具有实际工程价值[1]。
在动力传动系统振动噪声控制中，需对动力系统总成进行匹配，从而避免激励源与子系统以及子系统之间的模态耦合。本文建立了某微车后桥的有限元模型，计算了后桥总成约束模态和振型，并对模态频率进行了优化以避开传动系能量大的激振频率。对优化前后的车内噪声进行了对比验证，试验结果表明：后桥模态优化后车内噪声下降了约6dB，车内声学环境得到了明显改善。
作者简介：朱晓杰，资深产品工程师，助理工程师，就职于耐世特
汽车系统（苏州）有限公司工程技术中心。任良顺，传动系统主任
工程师，高级工程师，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司技术
中心。
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汽车实用技术
电动车电池价格62 2 CAE 分析后桥模态工程价值
2.1 工程问题描述
在某一新车型开发过程中发现：变速器4档和5档，发动机转速1500～2200rpm 工况下，明显感到车体有振动，同时车内有轰鸣声产生，整车内噪状况恶化，无法满足客户需求。驾驶员耳旁噪声检测结果如图1所示。
汽车保养内容图1 驾驶员耳边噪声
通过LMS 软件对录制的噪声进行分析，确定车内轰鸣声由传动系扭矩波动激励引发后桥壳共振产生，如不能有效解决，整车内噪超标，新车型无法上市。因而，后桥壳共振问题解决迫在眉睫，以下将对该噪声产生机理进行分析，制定对策方案，并进行验证分析。
使用LMS 软件对录制的噪声进行分析发现：后桥壳发生弯曲共振。对后桥模态进行了敲击法测试发现：后桥壳X 方向约束模态为70Hz ，Z 方向约束模态为65Hz ，而发动机1500～2200rpm 对应的传动系激振频率范围为50Hz ～73.3Hz ，正好包含后桥壳固有约束模态频率。本案桥壳弯曲振动发生在高档中低速行驶工况中，该工况下传动系扭矩波动率高，激振能量大，同时激振力频率易与桥壳、传动轴等零件约束模态发生耦合，产生共振，并通过悬架传递给车体。产生共振的后桥壳结构如图2所示。
图2 后桥详细结构
为提升整车内噪声品质，需解决后桥壳共振问题。解决方法为：让后桥壳总成约束模态避开发动机1500～2200rpm 工作状态下的激振力频率。即后桥壳约束模态低于50Hz ，或高于73.3Hz 。由于后桥壳总成是承载体，强度和刚度不能低，以免桥壳强度不足或变形过大，影响到桥壳自身及半轴轴承、半轴、悬挂支架等零部件的寿命，故桥壳模态应高于73.3Hz 。但桥壳约束模态无法通过经验公式等传统方法计算获得，需寻新方法准确计算桥壳约束模态，确保改制后的桥壳满足目标和项目进度，避免方案失败、新开模具报废，新车上市推迟。
经过不断研讨和验证，成功建立了基于HyperMesh 和ABAQUS 有限元软件的后桥模态计算方法，与测试结果相差在1.2Hz 以内。本方法首先搭建CAE 模型，将传动轴和后悬架总成按照整车状态进行约束，并根据零件材料定义各零件
的力学性能指标和质量，最终通过ABAQUS 模态计算模块计算后桥壳约束模态。 2.2 CAE 模型的建立
首先使用HyperMesh 软件对后悬总成（后桥壳包含其中）、传动轴总成零部件进行单元格划分：壳单元基本尺寸为8×8mm ，其中减速器壳、差速器壳等铸件采用四面体网格；单元格划分后将分析模型导入ABAQUS 软件并进行零件间约束定义。模型初步搭建后，增加后悬架总成、传动轴总成与车身、地面及其他底盘件的连接约束。然后输入零件材料参数，参数入表1所示，建立的有限元模型如图3所示。
表1 后桥总成主要参数
图3 后桥CAE 仿真分析模型
2.3 后桥模态振型及优化对比
通过CAE 分析模型分析发现：共振桥壳（图2 ）的“轴肩到下摆臂支架”之间的刚度不足，是桥壳Z 向模态偏低的主要原因，如图4所示。故需增加桥壳 “轴肩到下摆臂支架”之间的刚度。同时发现：后桥后盖部位的X 方向弯曲刚度偏低也需加强。故模态提升方案为：增加4块加强板（图5），提高桥壳刚度低部位的抗弯截面系数，使桥壳X 方向模态提高到70.8Hz ，Z 方向模态提高到74.3Hz 。
图4 后桥模态振型
图5 后桥优化方案 桥壳增加4块加强板后装车测试发现：后桥X 方向模态由70Hz 提升到71.5Hz ，Z 方向模态由65Hz 提升到74.5Hz ，与计算基本吻合，模态提升明显。并进行NVH 评估发现：车内轰鸣声大幅降低，且剩余的轰鸣声在很窄的发动机转速范围内，改进措施有效。 （下转第69页）
李海：石油钻机井架前大腿弹塑性的稳定性分析
69
其中[k *f ]和[k g ]分别为系统的总弹性矩阵和总几何矩阵，{U}和{F}分别为系统的节点位移分量列阵和节点载荷分量列阵。
考虑到中间节点处弹性支撑的作用，总刚度方程改为 [[k *f ]+[k g ]]{U}={F}-[R]{U} [[k *f ]+ [R] +[k g ]]{U}={F}
在进行井架前大腿弹塑性稳定分析时，我们把整个过程分成看成一个载荷同步求解。同时，保证在每一个载荷步内只有斜坡一种载荷形式。然后指定子步为1000和平衡迭代个数为15。分析方法：静态分析；外力大小：F=2660kIV ；激活大变形影响(NLGEOM)为ON ；输出每一个子步骤。将线性搜索打开(on)，促进Newton-Raphson 求解器收敛。将最大迭代次数(Maximun Number of Iterations)设为1000。
3 结束语
国产车哪个好对井架前大腿进行了弹塑性稳定性分析，并与弹性稳定性分析结果进行了对比。可得到：按弹塑性稳定性分析的临界载荷是弹性稳定性分析0.870086倍。
参考文献
[1] 常玉连，刘玉泉.钻井井架，底座的设计计算[M].石油工业出版社,
1992.9.
[2] 李皓月，周田朋，刘相新.工程计算应用教程[M].中国铁道出版
社,2003.
[3] 王纪海.石油钻机井架弹性及弹塑性的稳定性分析研究[D].西安
建筑科技大学,2005.
（上接第62页）
改进前后，驾驶员耳旁噪声对比详见图6。
图6 改进前车内噪声曲线
3 结论
本文在对有限元法和模态理论深入理解的基础上，建立了后桥模态分析模型，以匹配后桥模态频率与
传动系激振频率，避免后桥零部件固频与能量大的激励频率发生耦合产生共振。并通过试验验证使某车型驾驶员耳边处噪声峰值下降
约6dB ，车内噪声品质明显改善。从而在新产品开发中避免同类共振问题发生，减少车型设计返工，缩短开发周期。更好更快地设计出高质量、客户喜爱的好车。
参考文献
[1] 林逸，马天飞，姚为民，张建伟.汽车NVH 特性研究综述.[M]汽车工
程,2002,24 (3):177-186.
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析.振动工程学报,2010, 23(6): 676-680.
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研究[J].汽车工程,2010,32(5):369-372.平顶山车展
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