车辆驱动桥壳试验模态分析

张笑楠，李 宗

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

作者简介：张笑楠（1992－），女，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

李 宗（1990－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

摘 要：基于车辆驱动桥壳动态特性对其结构优化和减震降噪的重要性，采用两种模态分析方法对驱动桥壳进行动态分析，以获取其模态参数，为后续结构的振动特性分析、优化设计和修改等提供依据。一种方法为试验模态分析法，采用锤击法进行模态试验，利用安装有力传感器的力锤给被测量结构一个激励，以脉冲试验原理和模态理论为基础，借助于现代测试技术和微型计算机的快速傅里叶变换（FFT）迅速求得结构模态参数。另一种方法为有限元模态分析法，利用ANSYS分析软件对驱动桥壳进行模态分析，得到模态固有频率。

关键词：试验模态分析法；有限元模态分析法；锤击法；驱动桥壳

Abstract：Based on the importance of dynamic characteristics of the vehicle drive axle to its structural optimization and noise damping，use two modal analysis methods to dynamically analyze drive axle housing，in order to obtain its modal parameters to provide bases for the subsequent analysis of the structural vibration characteristics，optimization，design and modification． One is experimental modal analysis using modal testing method which uses a hammer with a powerful force sensor to apply （incite）a force on the measured structure，and obtains rapid structural modal parameters by means of modern technology and microcomputer Fast Fourier Transform（FFT）based on pulse test principle and modal theory．Another is modal finite ele－ment analysis，which uses ANSYS analysis software to analyze drive axle housing and get its natural frequency

Key words：Experimental modal analysis；Finite element modal analysis；Hammering method；Drive axle housing

1 引 言

汽车驱动桥作为传动系最末端总成和行驶系的重要组成部分，对汽车产生的振动和噪声有着不可忽视的影响，掌握驱动桥壳的动态特性有助于人们对其结构进行优化，对改善整车的振动和噪声情况，提高乘坐舒适性有着至关重要的作用。

现已存在的试验模态分析系统主要有MSC、STAR和PAK等，但价格相对较昂贵。本着降低成本和使用便利性的目的，同时也得益于计算机及其技术的飞速发展和信号处理理论的发展［1］，本文介绍运用加速度传感器、DT9837四通道数据采集器、DEWESoft软件和其他较简单的硬件设备进行的锤击法模态分析测试系统和其试验过程，以及最终对驱动桥壳模态参数的测试结果。同时利用有限元分析法获取其理论值以作为对比。

2 试验模态分析的基本理论

试验模态分析，又称模态分析的实验过程，是一种试验建模过程，属于结构动力学的逆问题，也是一种较为常用的参数识别方法。目前常用的方法是频域法，即先测得系统的时域信号、激励信号和各点的响应加速度进行傅里叶变换，通过计算得到各响应点的频率、响应函数（传递函数），而后对其进行模态识别从而得到被测结构的模态参数。

激振信号为x（t），由此产生的响应信号为y（t），对其对应的频域输入、输出值X（ω）、Y（ω）做比值运算，得到传递函数（频率响应函数），即

式中H（ω）表示传递函数。传递函数是描述线性系统动态特性的函数，反映系统输入、输出的关系，是系统本身特性的描述，不随输入（激励）和输出（响应）的变化而变化［3］。试验模态分析的最终目标是识别系统的模态频率、模态振型等模态参数，为后续的车辆驱动桥壳的动态特性分析和优化等提供依据。

3 模态试验方法——锤击法

3．1 概述

锤击法分为单次锤击和随机锤击。单次锤击法由于输入结构的能量有限，不适用于大型复杂结构或者大阻尼结构中距离激振点远的测点的测量，会造成响应信号小，信噪比低，最终影响测试结果。故采用随机锤击法。随机锤击法是指对被测结构进行多次冲击，这种做法可以使输入结构的能量增大，得到较大的响应信号。

3．2 试验原理——MISO

锤击法模态试验可分为单点激励法（SIMO）和单点拾振法（MISO），本试验采用单点拾振法（MISO）。

单点拾振法（MISO）试验模态分析是最简单的实验模态分析系统，只需要一通道激励力的测量和一通道振动响应的测量，适用于实验室中小型结构。

根据模态分析的基本原理可知，若能通过模态试验求得频率响应函数矩阵的任意一行或任意一列元素，则各阶模态参数（固有频率、模态刚度、模态阻尼比、模态质量、主振型）就可以完全确定。因此我们可以将响应加速度传感器固定在一个振动较大的测量点上（一般选择避开某阶节点），分别对其余各测量点进行激励，采集激励力和响应振动信号，通过DEWESoft实时数据采集与分析软件即可得到每一个测点所对应的频率响应函数，也可读出其各阶固有频率。

3．3 试验设备

测试系统主要仪器：Bruel＆Kjær8202型力锤（配8200型力传感器），ICP型加速度传感器（配磁座），电荷放大器，DT9837Data Translation数据采集器。主要软件为DEWESoft数据采集处理软件。

力锤通过信号线与电荷放大器相连，再与加速度传感器通过信号线与DT9837Data Transla－tion数据采集器前端相连，数据采集器尾端通过USB连接线与电脑连接。

测试系统设备连接如图1所示。

图1 试验设备连接框图

3．4 试验方法及结果

试验采用单点拾振法，将1．125m的驱动桥壳沿跨度方向取15个测点，测点分布如图2所示。

图2 驱动桥壳各测点分布图

本试验所研究的驱动桥壳支撑方式是模拟自由状态的软悬挂支承，经实际试验操作对比后发现，弹簧的悬挂效果比橡皮绳更能使驱动桥壳接近实际工作状态。故选用弹簧来悬挂驱动桥壳。

模态试验时一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点，鉴于节点位置在试验前较难确定，我们根据经验将弹簧悬挂在驱动桥壳的两端，如图3所示。

本实验中采用脉冲激振方式。脉冲激振是用带有力传感器的锤子（力锤）敲击被测结构，使被测结构得到一个脉冲力，并同时测量激励信号和响应信号。脉冲的形成和有效频率取决于脉冲的持续时间，而持续时间取决于锤头冲击垫的材料，材料越硬，持续时间越短，频率范围越大。

图3 驱动桥壳的悬挂方式

按照试验设备框图连接好所有试验设备，将加速度传感器分别吸附于驱动桥壳上测点的上平面（Z方向），使其能测得Z正向的振动。用力锤给测点施加一个脉冲激励，利用加速度传感器、DT9837四通道数据采集器和DEWESoft软件采集固定输出测点的响应信号，并得到与各个输入测点相对应的频响函数，即可读出各个阶数所对应的固有频率、幅值和相位。

如图4所示是测点1、3、5、12测量时的观察画面，表1为Z方向的各阶固有频率。

图4 测点测量界面

表1 Z方向各阶固有频率

4 有限元模态分析

4．1 驱动桥壳的有限元模态分析

利用ANSYS Workbench对驱动桥壳模型进行自由状态下的模态分析，取4阶非刚体固有频率。对驱动桥壳的模型进行模态分析之后得到如下结果：

1．自由模态前6阶是刚体模态，固有频率为0，故提取前4阶非刚体模态，各阶固有频率及振型如下：

图5 桥壳自由状态前4阶模态

2．自由状态下各阶非刚体固有模态分析结果如表2所示。

表2 自由状态下1～4阶非刚体固有模态分析结果

4．2 试验结果与有限元结果分析对比

试验与有限元模态固有频率的对比如表3所示。

表3 试验与有限元模态固有频率的对比

由表3对比试验和自由状态下有限元固有频率可以看出，试验得到的数据和有限元分析后得到的理论值有一定的差距，对比之后可以发现，试验得出的第1阶固有频率与有限元第2阶相差不大，试验第2阶固有频率与有限元第3阶相差不大，而试验第4、5阶固有频率在有限元分析的前4阶中都没有出现。从理论上来说，对于同一个结构而言，无论用哪种方法进行测试，其各阶的固有频率应该是相同的，但目前的情况明显违背了这一原则，针对这种情况，分析认为是在试验中应测得的第1阶、第4阶固有频率未测量到，原因可能为：

（1）节点的影响。当结构在某一频率下产生共振时，结构振动会产生一个振型，会有振动点和相对静止单点，这些相对静止的点就是这一阶振型的节点。当我们将传感器放在节点的地方进行测量的时候，会发现在这一点上传感器感受不到信号或非常微弱，对于测量来说，这会使得某一阶固有频率测试不到。

（2）在进行Z方向的测量时，施加的激励力频率不合适，无法使频率响应函数图线上的第1阶、第4阶固有频率对应的峰值很清晰的显现。

（3）接触面影响。由于试验所用的驱动桥壳是结构钢制的，且已使用过一段较长的时间，故表面已不太平滑，会有小的凸起和凹陷。传感器是通过磁座吸附在桥壳表面上的，桥壳除凸包处以外，两轴管的表面都是圆弧状的，故在传感器吸附时其接触面为一条线段而非一个平面，这会造成传感器的轻微晃动，导致结果有偏差。

（4）应力集中影响。驱动桥壳结构中会有结构形状突然变化的部位，也有由于磨损造成的壁厚不一样的情况，这会导致结构上的应力集中，影响信号的平稳传播，导致测量结果的差异。

（5）信号不一致。由于每一个激励信号都是实验者手握力锤进行敲击产生的，故无法保证信号的完全一致。

自由状态下的有限元模态结果是驱动桥壳的前6阶模态都为0或接近于0，且观察其前6阶的模态振型可以知道，桥壳前6阶中并没有出现典型的扭转振型，而是以弯曲振型为主且非常微小。这是因为，从理论上来讲，驱动桥壳在自由状态下（即对其6个自由度均无约束），前6阶模态应该是平动和转动，呈刚体模态［4］。在试验的条件下，由于传感器等其他因素的影响，无法测出刚体模态，因而试验所得到的固有频率是第6阶以后的固有频率值。

同时，试验模态的测试技术，传感器安装等问题也会引起较大的试验误差，故还需要不断改进试验的方法和操作，以提高试验结果的准确性。

5 总 结

结构模态分析技术自上世纪60年代后期发展开始，至今已趋于成熟。模态分析与参数识别也已经成为工程实际中对振动与噪声、结构动态特性分析、故障诊断与声源定位辨识等方面问题解决的重要工具，和有限元分析技术一起，成为结构动力学的两大支柱。近些年来，基于试验模态获取的模态参数，修改理论模型并优化结构的方法得到了普遍的认同和重视。模态试验分析技术逐步发展，试验仪器的功能日趋全面，精度不断提高，各方面的进步促使模态试验结果成为结构动态参数获取和物理模型修改及优化的重要依据之一。本论文采用模态分析技术中的锤击法，对驱动桥壳的模态参数进行了提取，初步了解了驱动桥壳的动态特性。

参考文献

［1］ 刘军，高建立，穆桂脂等．改进锤击法试验模态分析技术的研究［J］．振动与冲击，2009，3：174－177．

［2］ 王国维，张严，小型水下航行器模态试验与分析技术研究［C］．计算机技术与应用进展——全国第17届计算机科学与技术应用（CACIS）学术会议论文集（下册），2006：89－93．

［3］ 董玉红，徐丽萍．机械控制工程基础［M］．北京：机械工业出版社，2006：37．

［4］ 赵冰．驱动桥壳静态强度及振动仿真模态研究［D］．陕西西安：长安大学，2011．