宋福強(qiáng)　羅培智　鄭偉娟（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011）

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汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架異常振動(dòng)問(wèn)題研究

宋福強(qiáng)羅培智鄭偉娟
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011）

【摘要】針對(duì)某汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常振動(dòng)噪聲問(wèn)題，利用轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法和模態(tài)試驗(yàn)分析方法進(jìn)行了研究，查明了出現(xiàn)異常振動(dòng)的原因主要是由于臺(tái)架系統(tǒng)共振導(dǎo)致。通過(guò)采用降低驅(qū)動(dòng)橋總成橡膠支撐墊剛度的方法，降低了驅(qū)動(dòng)橋總成的固有振動(dòng)頻率，從而解決了該試驗(yàn)臺(tái)架的異常共振問(wèn)題，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。

主題詞：驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)模態(tài)分析

1　前言

驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架用于模擬驅(qū)動(dòng)橋在整車(chē)行駛過(guò)程中的工作狀態(tài)，通過(guò)測(cè)功機(jī)提供動(dòng)力輸入，完成驅(qū)動(dòng)橋總成動(dòng)力輸出，模擬出驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部齒輪之間存在的嚙合工作情況。在利用所搭建的驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)測(cè)功機(jī)輸入轉(zhuǎn)速約為3 600 r∕min時(shí)，整個(gè)臺(tái)架出現(xiàn)了較大的異常振動(dòng)，不但影響了測(cè)量結(jié)果的有效性，而且危及到測(cè)功機(jī)的安全。為此，本文針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，通過(guò)改變臺(tái)架系統(tǒng)的模態(tài)耦合解決了異常振動(dòng)問(wèn)題。

2　驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架搭建與振動(dòng)噪聲測(cè)量

在全消聲室內(nèi)搭建了驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)臺(tái)架，如圖1所示。其主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)系統(tǒng)組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由測(cè)功機(jī)和驅(qū)動(dòng)軸組成，驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)橋總成、連接件和橡膠支撐等組成。為測(cè)試臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)噪聲，分別在驅(qū)動(dòng)橋殼和支撐底座上布置了三向振動(dòng)加速度傳感器，在橋殼附近布置了噪聲測(cè)量傳聲器（圖1）。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)測(cè)功機(jī)動(dòng)力輸入來(lái)模擬驅(qū)動(dòng)橋加速工況，采用手動(dòng)模式調(diào)控測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速以保證驅(qū)動(dòng)橋以一定轉(zhuǎn)速間隔進(jìn)行升速。利用法國(guó)OROS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集了整個(gè)升速過(guò)程中臺(tái)架振動(dòng)和噪聲信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)速跟蹤分析，得到加速過(guò)程中驅(qū)動(dòng)橋噪聲overall曲線(xiàn)和驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)overall加速曲線(xiàn)，如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可看出，當(dāng)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 600 r∕min時(shí)臺(tái)架出現(xiàn)異常振動(dòng)和噪聲，但通過(guò)對(duì)比分析振動(dòng)測(cè)點(diǎn)overall加速曲線(xiàn)可知，雖然在轉(zhuǎn)速上升到3 600 r∕min時(shí)驅(qū)動(dòng)橋殼體振動(dòng)信號(hào)有明顯的振動(dòng)突變，但支撐底座振動(dòng)信號(hào)卻沒(méi)有明顯振動(dòng)突變，說(shuō)明振動(dòng)主要發(fā)生在橡膠支撐上部的驅(qū)動(dòng)橋總成上，支撐底座未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。

3　驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析與模態(tài)試驗(yàn)

3.1振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述分析可知，驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架出現(xiàn)異常振動(dòng)、噪聲時(shí)的峰值頻率為60 Hz，此時(shí)測(cè)功機(jī)的激勵(lì)頻率也為60 Hz，這表明產(chǎn)生異常振動(dòng)、噪聲的根源來(lái)自于測(cè)功機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速激勵(lì)下的系統(tǒng)共振。

解決驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架的系統(tǒng)共振問(wèn)題可從激勵(lì)和響應(yīng)兩個(gè)方面著手，因旋轉(zhuǎn)機(jī)械激勵(lì)很難改變，所以通過(guò)改變響應(yīng)頻率來(lái)避免與激勵(lì)頻率耦合。利用模態(tài)分析方法可以得到驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架系統(tǒng)的模態(tài)頻率分布和振型，可明確對(duì)應(yīng)響應(yīng)頻率下系統(tǒng)的振動(dòng)形態(tài)，為驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

3.2模態(tài)試驗(yàn)

3.2.1模態(tài)試驗(yàn)原理

目前，測(cè)量結(jié)構(gòu)本身特性參數(shù)的方法主要有經(jīng)典模態(tài)分析、運(yùn)行模態(tài)分析（OMA）和運(yùn)行變形振動(dòng)分析（ODS）等3種，本文利用經(jīng)典模態(tài)分析方法來(lái)獲取驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息。

模態(tài)試驗(yàn)激勵(lì)方式采用單點(diǎn)激勵(lì)［1］，即對(duì)被測(cè)試結(jié)構(gòu)一次只激勵(lì)1個(gè)點(diǎn)的一個(gè)方向，而在其它任何坐標(biāo)上均沒(méi)有激勵(lì)作用。激振裝置采用力錘，錘擊激勵(lì)提供的是一種瞬間激勵(lì)，通過(guò)更換力錘錘帽可獲得不同的沖擊力譜和不同能量的激勵(lì)信號(hào)［2，3］，因此選擇合適的錘頭進(jìn)行錘擊模態(tài)試驗(yàn)是關(guān)鍵。

利用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，即通過(guò)力錘給結(jié)構(gòu)一個(gè)激勵(lì)力激起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過(guò)三向加速度振動(dòng)傳感器獲得結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)。三向加速度振動(dòng)傳感器布置在驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)軸所組成的響應(yīng)系統(tǒng)上，并避開(kāi)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置。通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析儀得到激勵(lì)力和各點(diǎn)響應(yīng)之間的頻率響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)采樣定理設(shè)置采樣頻率范圍，測(cè)量結(jié)果是頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣中的一列，用來(lái)尋求結(jié)臺(tái)架系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，模態(tài)試驗(yàn)原理［4］如圖4所示。

3.2.2模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

利用LMS模態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析，由于臺(tái)架測(cè)功機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍為1 000～5 500 r∕min，通過(guò)計(jì)算可得測(cè)功機(jī)的激勵(lì)頻率范圍為16～91 Hz，由于是共振問(wèn)題，只需針對(duì)100 Hz以?xún)?nèi)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別即可。通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)獲得的驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)FRF曲線(xiàn)如圖5所示，根據(jù)模態(tài)理論，通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)FRF曲線(xiàn)的實(shí)部和虛部分析可明確系統(tǒng)模態(tài)頻率。

由圖5可看出，驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)的固有頻率為61.1 Hz，利用LMS公司推出的PolyMax模態(tài)識(shí)別方法，可在LMS模態(tài)分析軟件中查出頻率為61.1 Hz系統(tǒng)的模態(tài)振型如圖6所示。

利用LMS模態(tài)測(cè)量分析軟件，采用子系統(tǒng)模態(tài)分解分析技術(shù)，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行錘擊法模態(tài)測(cè)量，獲得安裝狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋的傳遞函數(shù)FRF曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)FRF曲線(xiàn)分析可得到兩個(gè)子系統(tǒng)的固有頻率及模態(tài)振型。

經(jīng)分析可知，驅(qū)動(dòng)軸的固有頻率為60.7 Hz，其模態(tài)振型為俯、仰運(yùn)動(dòng)，如圖7a所示；驅(qū)動(dòng)橋的固有頻率為61.2 Hz，其模態(tài)振型為上、下運(yùn)動(dòng)，如圖7b所示。二者的固有頻率較接近，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸被1階振動(dòng)量激勵(lì)而發(fā)生共振時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋也很容易被激勵(lì)而發(fā)生共振現(xiàn)象，而且整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架系統(tǒng)的固有頻率也在驅(qū)動(dòng)軸共振頻率附近，從而很容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生共振。

4　　驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)的原因主要是由于驅(qū)動(dòng)橋上、下振動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)軸俯、仰振動(dòng)頻率發(fā)生耦合，解決此問(wèn)題有兩種途徑：一是改變驅(qū)動(dòng)軸的激勵(lì)頻率；二是改變驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)的固有頻率。由于驅(qū)動(dòng)軸存在制造、裝配、工藝精度等因素的制約，更改難度較大，無(wú)法改變激勵(lì)頻率，因此只能從響應(yīng)端入手，即改變驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。影響固有頻率的因素主要為剛度和質(zhì)量，因此需通過(guò)改變支撐橡膠剛度來(lái)改變驅(qū)動(dòng)橋的固有頻率，最后確定通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)橋支撐橡膠墊的剛度來(lái)改變驅(qū)動(dòng)橋上、下振動(dòng)頻率。

將驅(qū)動(dòng)橋橡膠支撐墊剛度降低了30%，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)橋總成再次進(jìn)行了錘擊法模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，得到了橡膠墊剛度降低后的驅(qū)動(dòng)橋總成傳遞函數(shù)FRF曲線(xiàn)，如圖8所示。從圖8可看出，驅(qū)動(dòng)橋總成的固有頻率從原來(lái)的61.2 Hz降為51.0 Hz。

再次對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋所組成的系統(tǒng)進(jìn)行了錘擊法模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)FRF曲線(xiàn)如圖9所示。由圖9可看出，臺(tái)架系統(tǒng)的固有頻率從原來(lái)的61.1 Hz降到了51.7 Hz，避免了驅(qū)動(dòng)軸與臺(tái)架系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振，達(dá)到了驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

4.2臺(tái)架優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)安裝降低剛度橡膠支撐墊的驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架重新進(jìn)行了試驗(yàn)，在測(cè)功機(jī)作為動(dòng)力輸入的條件下，完成了驅(qū)動(dòng)橋從1 000～5 000 r∕min的加速工況，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，臺(tái)架運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)任何異常振動(dòng)噪聲。同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼體上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到隨轉(zhuǎn)速變化的振動(dòng)overall總值曲線(xiàn)，如圖10所示。由圖10可看出，原來(lái)在3 600 r∕min附近的振動(dòng)峰值已經(jīng)消失，試驗(yàn)結(jié)果表明臺(tái)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案準(zhǔn)確可靠，保證了臺(tái)架試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

5　　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)噪聲問(wèn)題，利用轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法和模態(tài)試驗(yàn)分析方法，查明了驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架異常振動(dòng)的原因，主要是由于驅(qū)動(dòng)軸在1階振動(dòng)激勵(lì)下發(fā)生共振，由于驅(qū)動(dòng)軸固有頻率與驅(qū)動(dòng)橋固有頻率較接近，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋也發(fā)生共振現(xiàn)象。通過(guò)采用降低驅(qū)動(dòng)橋總成橡膠支撐墊剛度的方法，降低了驅(qū)動(dòng)橋總成的固有振動(dòng)頻率，解決了試驗(yàn)臺(tái)架的異常共振問(wèn)題，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

1何耀民.運(yùn)用模態(tài)試驗(yàn)診斷汽車(chē)車(chē)架故障.北京汽車(chē)，2007 （4）：37～39.

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4He Jimin，F(xiàn)u Zhifang.Modal analysis.Printed and bound in Great Britain by Replika Press Pvt Ltd，2001.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月4日。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.218

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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