传动轴约束模态分析.pdf

理论研究 Theoretical Research240 汽车周刊 Auto Weekly 第 11 期传动轴约束模态分析赵辉1 施文新2（1上汽通用五菱汽车股份有限公司）（2湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司柳州分公司）摘 要 前置后驱汽车中，传动轴是传动系的重要部件，起到向车桥传递动力的作用。由于传动轴是转速高、支撑少的旋转体，其弯曲模态相对较低，容易在行车过程中发生共振。故可借助通用有限元软件分析其约束模态，以规避项目开发风险。关键词 传动轴；约束模态1、引言振动是自然界实体事物的固有物理属性，通常用模态进行描述。模态包含一组特定振型及对应振型的频率特性。实体事物模态可通过具体实验设备获取较为准确的特性，但需要花较多的时间、设备、人力成本，特别是项目比较集中又有比较多的总成需要测试时，实体试验就不能快速、高效满足项目的开发需求了。此时可借助有限元方法代替实验快速获取实体事物的模态特性。汽车传动轴转速高、支撑少的旋转件，其弯曲模态相对较低，受制造误差或对中不良等因素1影响较大，容易在行车运转过程中受离心力影响产生共振、噪音等 NVH 问题。有文献中指出：机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向、持续时间2。在项目开发之初，可通过有限元分析获取传动轴模态特性，并与上下游需求进行比对，确认传动轴总成是否满足整车关于局部模态特性的设计要求，以在早期阶段发现、规避产品投产时可能会存在的NVH 问题。考虑到不同软件的差异性，各取所长，在分析过程中选择Altiar的HYPERMESH软件进行前处理，选 择 DASSAULT 的 ABAQUS进行建模、分析、后处理。2、前处理汽车传动轴总成结构上包含：滑动叉、万向节（前中后）、轴管（前轴管和后轴管）、衬套、中间支撑、法兰叉等零件(图 1 所示)。开始分析前，在不影响其基本力学特性的前提下对传动轴总成数模作简化处理，保证精度的同时提高分析效率，同时也可大大减少后续分析时出错的几率。根据往常经验，建议保留滑动叉、轴管、衬套、中间支撑、法兰叉零件。接下来，我们使用专业前处理软件HYPERMESH对这些零件进行网格划分：（1）轴管、中间支撑（支架）采用六面体网格，一阶单元，单元参考尺寸 3mm；（2）其他零件采用四面体网格，一阶单元，单元参考尺寸 3mm；划分后的总成模型由 1154310 个单元，305113个节点构成。网格质量控制标准参考图 2-HYPERMESH 内置标准对单元 SIZE、ASPECTRATIO、WARPAGE、SKEW等参考进行质量等级控制，整体分为 IDEAL、GOOG、WARN、FAIL、WORST五级标准，IDEAL为最理想状态，WORST 为最差状态。完成划分的模型如图 3 所示。然后，需要对相应网格进行质量检查，以保证输出的网格无错误，防止分析因网格问题终止或产生错误的结果。若有网格质量低于 WORST 状态的话，需要返回原界面对局部区域进行调整优化，使得所有网格满足标准图 1 产品结构示意图理论研究 Theoretical Research241汽车周刊 Auto Weekly 第 11 期要求。除了以上提到的网格质量，还需对存在重叠、交叉、自由边等错误的网格进行修复，具体方法参考 HYPERMESH 使用说明，这里不再赘述。3、建模仿真接下来，我们在 ABAQUS 中进行有限元分析模型的创建。参考软件通用流程3（图 4ABAQUS 官方建议的建模分析流程，实际根据需求进行选择应用），对由HYPERMESH导入的网格赋予材料属性（特性，这里主要为材料的密度、弹性模量、泊松比等等）、创建装配、相互作用（图 5 所示）、约束、分析步、任务，提交分析进行分析。特别注意：（1）相互作用：采用CVJOINT代替万向节模型，并在万向节处进行配重，替代实体模型分析。子零件之间的连接根据传动轴实际状态在模型中添加合适的形式，比如轴管与滑动叉或法兰叉之间采用绑定形式，支架上各支架子零件间采用耦合形式，孔与孔之间采用耦合代替螺栓连接，轴管与支架之间采用衬套代替橡胶及轴承，等等。总之能简化的位置，图 3 传动轴总成网格图 4 ABAQUS 官方建议的建模分析流程图 2 网格质量控制标准理论研究 Theoretical Research242 汽车周刊 Auto Weekly 第 11 期图 5 传动轴分析模型约束及相互作用图 6 分析步选择表 1 模态分析结果振型前轴管一阶弯曲后轴管一阶弯曲要求 Hz 170图 8 后轴管一阶弯曲模态图 7 前轴管一阶弯曲模态不用复杂作用，以提高分析效率、降低出错概率。（2）约束：滑动叉仅保留绕轴转动自由度，其他自由度约束；法兰叉约束全部自由度。模态分析不涉及载荷，这里不再讨论。（3）分析步：采用 Linearperturbation 分析步的Frequency（图 6 所示）的系统默认设置即可。后提交系统进行分析处理，静待完成。注：在分析过程中，可能会出现不同故障，导致过程中断或退出，我们需要根据系统的日志提示逐一排查、分析，找到相应的原因并解决。4、后处理完成的分析结果，ABAQUS 会存储在 ODB 文件中，可以使用其后处理模块打开，查看振型及模态值。其中，前轴一阶弯曲（图 7 所示）为 260Hz、后轴一阶弯曲（图 8 所示）为 184Hz，具体模态汇总见表 1。5、结论本文中的案例，通过有限元软件分析并获取传动轴（两段式）的模态特性：前轴管、后轴管一阶弯曲模态均超过 170Hz 的要求值，从给定的经验信息看，满足既定需求。在上述案例中知：汽车传动系统中，由于整车空间及布置等原因，动力总成与车桥之间跨度会很大，可能使传动轴过长，相应一阶模态过低。参考该案例的后轴管与前轴管长度差异（后轴管比前轴管长），其模态往往也较前者低的现象，作为改进对策，可在实际方案中将长传动轴分段布置，中间增加支撑，减小单段长度，提高其模态特性。参考文献：1濮良贵,纪名刚,主编.机械设计M.北京:高等教育出版社,2001:368.2余志生,主编.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2000:170.3石亦平、周玉蓉著.ABAQUS有限元分析实例详解M.北京:机械工业出版社,2006:27.作者简介：赵辉，学士，工程师，动力底盘区域，主要从事CAE仿真分析；施文新，学士，工程师，动力底盘区域，主要从事传动系统开发。