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基于Nastran某商用车传动轴NVH模态性能仿真和试验研究
2021-04-01 23:01:41· 来源：汽车NVH之家 作者：孙萌，陈明亮，吴静 江西五十铃汽车有限公司 产品开发技术中心
摘要：传动轴是商用车动力系统关键传动部件，对整车NVH性能有重要影响，文章针对某商用车传动轴进行了模态CAE和试验研究，C AE分析和试验结果表明，此商用车传动
摘要：传动轴是商用车动力系统关键传动部件，对整车NVH性能有重要影响，文章针对某商用车传动轴进行了模态CAE和试验研究，C AE分析和试验结果表明，此商用车传动轴NVH模态性能满足目标。
1 引言
随着国家经济高速发展，人民的生活水平日益提高，商用车销量也得到快速发展，与此同时，人们对于整车NVH品质要求也越来越高。传动轴作为汽车传动系统的重要部件，在实际的工作过程中，如果受到自身或其他外部激励，会产生振动及噪声，不仅影响乘车舒适性，更严重的会引起传动轴及与传动轴连接的变速器和驱动桥会产生破坏，甚至影响安全驾驶置[1-3]。故研究传动轴NVH模态性能具有重要的价值和意义。
本文研究源于某商用车新开发传动轴系统，需确保其NVH模态性能满足设计目标要求，通过有限元方法，基于Nastran软件，对某商用车传动轴进行了CAE模态分析，结合模态测试试验，CAE分析结果和测试结果表明此商用车传动轴NVH模态性能避开了发动机怠速共振频率，性能满足目标。
2 传动轴CAE模态分析
2.1 传动轴FEA模型
本文采用有限元软件Hyperworks对某商用车传动轴进行了建模，网格大小为4mm，对应材料为40Cr，橡胶在35Hz频率下轴向动刚度：220N/mm，径向动刚度270N/mm，模型质量27.3kg，有限元模型如图1所示。
2.2 传动轴CAE自由模态分析
本文分析了某商用车传动轴自由模态，CAE分析结果如图2所示，一阶Z向弯曲模态频率为244.5Hz，二阶Y向弯曲模态频率为246.9Hz。
图1 某商用车传动轴FEA模型
图2 传动轴CAE自由模态分析结果
2.3 传动轴CAE约束模态分析
本文对某商用车传动轴进行了约束模态分析，约束电机输出轴轴承位置及后桥输出轴轴承支撑位置全自由度，同时约束中间吊挂支架与车架固定安装孔位置全自由度，得到如图3示的传动轴约束模态CAE分析结果，其中一阶后轴Z向弯曲模态236.8Hz，二阶Y向弯曲模态频率为239.4Hz。
图3 传动轴CAE约束模态分析结果
2.4 传动轴CAE台架状态模态分析
本文对某商用车传动轴进行了台架状态模态分析，约束边界条件如图4所示，约束中间支架与车架螺栓连接点的全自由度，约束两端十字万向节螺栓孔处全自由度。
图4 传动轴台架CAE模态分析边界条件
本文按照上述边界条件，得到如图5所示的台架状态传动轴CAE模态分析结果，其中一阶后轴Z向弯曲模态频率为219.4Hz，二阶后轴Y向弯曲模态频率为221.8Hz。
图5 传动轴台架CAE模态分析结果
3 传动轴模态试验分析
3.1 传动轴自由模态试验分析
本文对某商用车传动轴系统进行了自由模态测试，如图6所示。传动轴长度1.5m，质量27.6kg，传动轴直径10mm。
图6 传动轴自由模态试验
按照上述试验边界条件进行测试，得到图7传动轴自由模态测试结果，一阶频率为249Hz，振型为Z向S型弯曲模态，二阶频率为479Hz，振型为Y向W型弯曲模态。
图7 传动轴自由模态测试结果
3.2 传动轴台架约束模态试验分析
本文采用LMS信号采集设备，通过力锤对某商用车传动轴进行了台架状态约束模态试验，如图8所示，试验样本量为2个，记录试验过程中，传动轴振型和频率。
本文按照上述台架约束边界条件，进行了传动轴模态测试，得到如图9 测试结果，扭矩0Nmm下，传动轴一阶弯曲频率为240Hz，二阶频率438Hz，与CAE分析对标较好，满足大于150Hz目标。
图8 传动轴台架约束模态试验
图9 传动轴台架约束模态测试结果
3.3 传动轴整车状态下模态测试分析
本文对某商用车传动轴进行了整车状态下的模态测试，得到如图10的模态测试结果，其中一阶Z向弯曲模态为174.6Hz，二阶Y向弯曲模态为239.4Hz，三阶Z向弯曲模态为256.1Hz。
图10 传动轴整车状态下模态测试结果
4 结论
本文基于NASTRAN有限元仿真分析软件，对某商用车传动轴进行了CAE自由模态、约束模态和台架状态下模态分析，同时结合模态测试试验，进行了传动轴自由模态测试、台架状态模态测试及整车状态下模态测试，CAE分析和台架试验结果表明，此商用车传动轴NVH模态避开了发动机怠速频率，满足设计目标。
1 引言
随着国家经济高速发展，人民的生活水平日益提高，商用车销量也得到快速发展，与此同时，人们对于整车NVH品质要求也越来越高。传动轴作为汽车传动系统的重要部件，在实际的工作过程中，如果受到自身或其他外部激励，会产生振动及噪声，不仅影响乘车舒适性，更严重的会引起传动轴及与传动轴连接的变速器和驱动桥会产生破坏，甚至影响安全驾驶置[1-3]。故研究传动轴NVH模态性能具有重要的价值和意义。
本文研究源于某商用车新开发传动轴系统，需确保其NVH模态性能满足设计目标要求，通过有限元方法，基于Nastran软件，对某商用车传动轴进行了CAE模态分析，结合模态测试试验，CAE分析结果和测试结果表明此商用车传动轴NVH模态性能避开了发动机怠速共振频率，性能满足目标。
2 传动轴CAE模态分析
2.1 传动轴FEA模型
本文采用有限元软件Hyperworks对某商用车传动轴进行了建模，网格大小为4mm，对应材料为40Cr，橡胶在35Hz频率下轴向动刚度：220N/mm，径向动刚度270N/mm，模型质量27.3kg，有限元模型如图1所示。
2.2 传动轴CAE自由模态分析
本文分析了某商用车传动轴自由模态，CAE分析结果如图2所示，一阶Z向弯曲模态频率为244.5Hz，二阶Y向弯曲模态频率为246.9Hz。
图1 某商用车传动轴FEA模型
图2 传动轴CAE自由模态分析结果
2.3 传动轴CAE约束模态分析
本文对某商用车传动轴进行了约束模态分析，约束电机输出轴轴承位置及后桥输出轴轴承支撑位置全自由度，同时约束中间吊挂支架与车架固定安装孔位置全自由度，得到如图3示的传动轴约束模态CAE分析结果，其中一阶后轴Z向弯曲模态236.8Hz，二阶Y向弯曲模态频率为239.4Hz。
图3 传动轴CAE约束模态分析结果
2.4 传动轴CAE台架状态模态分析
本文对某商用车传动轴进行了台架状态模态分析，约束边界条件如图4所示，约束中间支架与车架螺栓连接点的全自由度，约束两端十字万向节螺栓孔处全自由度。
图4 传动轴台架CAE模态分析边界条件
本文按照上述边界条件，得到如图5所示的台架状态传动轴CAE模态分析结果，其中一阶后轴Z向弯曲模态频率为219.4Hz，二阶后轴Y向弯曲模态频率为221.8Hz。
图5 传动轴台架CAE模态分析结果
3 传动轴模态试验分析
3.1 传动轴自由模态试验分析
本文对某商用车传动轴系统进行了自由模态测试，如图6所示。传动轴长度1.5m，质量27.6kg，传动轴直径10mm。
图6 传动轴自由模态试验
按照上述试验边界条件进行测试，得到图7传动轴自由模态测试结果，一阶频率为249Hz，振型为Z向S型弯曲模态，二阶频率为479Hz，振型为Y向W型弯曲模态。
图7 传动轴自由模态测试结果
3.2 传动轴台架约束模态试验分析
本文采用LMS信号采集设备，通过力锤对某商用车传动轴进行了台架状态约束模态试验，如图8所示，试验样本量为2个，记录试验过程中，传动轴振型和频率。
本文按照上述台架约束边界条件，进行了传动轴模态测试，得到如图9 测试结果，扭矩0Nmm下，传动轴一阶弯曲频率为240Hz，二阶频率438Hz，与CAE分析对标较好，满足大于150Hz目标。
图8 传动轴台架约束模态试验
图9 传动轴台架约束模态测试结果
3.3 传动轴整车状态下模态测试分析
本文对某商用车传动轴进行了整车状态下的模态测试，得到如图10的模态测试结果，其中一阶Z向弯曲模态为174.6Hz，二阶Y向弯曲模态为239.4Hz，三阶Z向弯曲模态为256.1Hz。
图10 传动轴整车状态下模态测试结果
4 结论
本文基于NASTRAN有限元仿真分析软件，对某商用车传动轴进行了CAE自由模态、约束模态和台架状态下模态分析，同时结合模态测试试验，进行了传动轴自由模态测试、台架状态模态测试及整车状态下模态测试，CAE分析和台架试验结果表明，此商用车传动轴NVH模态避开了发动机怠速频率，满足设计目标。
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