CN111090952B - 一种汽车驱动桥振动仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，包括如下内容：1)通过传动分析软件建立汽车驱动桥的主减速器传动模型；2)提取主减速器轴承中心点的定位尺寸信息；3)通过有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型；4)生成轴承中心点的质量和刚度矩阵；5)将轴承中心点的质量和刚度矩阵导入传动分析软件；6)输出不同工况下的轴承中心点的动态位移信息；7)计算轴承载荷下的壳体振动响应；8)将得到的壳体振动响应与设计值进行比较。本发明使用有限元软件与专业的传动分析软件相结合，减少试验量缩短试验周期，使用仿真模型对驱动桥进行优化改进，在正式改进实施之前查看改进效果，节省企业生产成本。

Description

一种汽车驱动桥振动仿真分析方法

技术领域

本发明属于车辆传动系统与NVH领域，尤其是涉及一种汽车驱动桥振动仿真分析方法。

背景技术

目前对驱动桥等传动系统的试验检测有较为成熟的方法方案，涉及到振动、噪声、疲劳及传动误差等领域。对试验用的设备仪器、测试工况、连接方式、关键数据都做了分析介绍。发明专利201710370259.9发明了一种驱动桥噪声测试系统，介绍了构建测试系统的仪器设备，测点的分布，使用的测试工况，并将半消音室作为测试环境保证了噪声测试结果的准确性。该发明专利以实际常用车速为工况，换算成驱动桥输入端的转速数据，在半轴的输出端将轮胎的负载考虑进去，将负载加载到连接半轴的电机上，保证了测试工况与实车状态下的工况相一致，使用此发明专利的测试工况还可以对驱动桥的振动进行测试，通过分析振动和噪声测试数据，为传动系统的NVH优化改进提供依据。

发明专利201810922754.0发明了一种用于汽车传动系统振动测试的教学实验装置，该实验装置使用惯量飞轮模块模拟汽车平动质量的当量转动惯量，车辆道路阻力通过车轮模拟转筒与道路行驶阻力块相配合模拟，并使用非接触式测量技术测试旋转轴的在水平径向和垂直径向的振动位移信号，提出了旋转部件振动信号的测试方法。

发明专利201710142435.3介绍了一种驱动桥差速器齿轮疲劳寿命的试验方法，是一种考核驱动桥差速器内部齿轮疲劳寿命的试验方法，使用试验方法模拟定差速工况，进而确定行星齿轮、半轴齿轮失效时的疲劳寿命。该方法还提出了调整供油温度的油冷却系统，和该系统启停模式对应的温度范围，并使用不同负载在正式试验前对驱动桥差速器系统进行磨合，使系统达到最佳试验状态。

以上专利均是从试验的角度阐述了驱动桥等传动系统各项动态参数的测试方法，在计算机理论分析和仿真领域，对传动系统各项参数的分析也有方法总结，包含对减速器系统仿真、驱动桥系统仿真、变速器系统仿真等，一般使用有限元软件或相同功能的软件对传动系统建模，对齿轮、轴承等关键零件使用简化模型代替，或者直接导入三维模型通过网格划分生成有限元模型，在有限元软件中对传动系统进行仿真模拟，得到传动系统的动力学参数。

发明专利201710097176.7提出利用动力学仿真软件搭建目标车型传动系统仿真模型，根据转速和扭矩得到输出功率，乘以预设测定步长得到敲击能量，确定齿轮敲击异响的方法。此方法仿真分析模型包括发动机、离合器、变速器、传动轴以及后桥等子系统，并能够结合试验数据对模型进行调试及精度校准。

发明专利201410207341.6提出一种考虑主减速器壳的驱动桥齿轮动力学特性计算方法，该方法使用有限元软件将轴承、齿轮、轴和主减速器壳体建立模型，形成传动系统的静力学模型，通过计算轴承刚度，建立传动系统的动力学模型，进而对系统的固有振动特性以及动力学特性进行计算。该发明也指出了现有研究方法对驱动桥系统动力学分析时，存在的模型简化问题，和建立所有零部件有限元模型时计算资源消耗大，计算效率低的问题。

发明专利201110113539.4同样指出了对于自动变速器传动系统仿真模型搭建中现有方法存在的不完善之处，发明了一种自动变速器传动系统仿真模型搭建方法，利用模块化建模工具建立模型，并对模型进行实时性简化优化，仿真模型还可与发动机等其他模型集成，构成完整的自动变速器车辆动力总成仿真系统，缩短开发周期，降低开发成本和风险。

一般的有限元仿真方法虽然可以对整个系统建模，但数据量大、前处理周期较长，而且对传动系统齿轮、轴承等关键零件的几何形状、设置参数以及加工工艺等对仿真结果影响较大的参数可更改优化的空间非常有限。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，避免了对齿轮、轴承等复杂几何划分有限元网格，使用专业的传动仿真软件对齿轮和轴承形状和参数进行调整设置，避免使用有限元软件重新建模耗费太多的时间，而且可以在传动仿真软件中进行轴承选配、齿轮修形等在一般有限元中无法实现的改进措施进行优化改进。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，包括如下内容：

1)通过传动分析软件建立汽车驱动桥的主减速器传动模型；

2)从主减速器传动模型中提取主减速器轴承中心点的定位尺寸信息；

3)通过有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型；

4)在壳体有限元模型中，生成轴承中心点的质量和刚度矩阵；

5)将轴承中心点的质量和刚度矩阵导入传动分析软件，完善仿真模型；

6)在传动分析软件中进行NVH动态分析计算，输出不同工况下的轴承中心点的动态位移信息，并将该信息导入有限元模型，赋予轴承中心点；

7)使用有限元软件的动态响应分析功能，计算轴承载荷下的壳体振动响应；

8)将得到的壳体振动响应与设计值进行比较：

若符合设计要求，则设计合理；

若不符合设计值要求，则通过对齿轮、轴承或者壳体结构参数进行调节和优化改进，对模型进行修改，直至达到设计要求。

进一步的，在步骤1)中，采用传动分析软件对驱动桥的主减速器建模，包括主从动锥齿轮、行星齿轮、差速器齿轮、十字轴、差速器壳体、主减速器壳体、轴承、半轴、花键模型；

在行星齿轮和主减速器壳体内壁建立虚拟概念轴承；

在左右半轴外侧建立轮辋，并使用传动软件中的概念轴承支撑；

在左右半轴两端的轮毂上，建立概念轴承模拟实际状态下轮辋随半轴旋转的状态，概念轴承的内圈模拟与车身固定连接，仿真过程中不旋转；

传动分析软件在模型建立过程中，对关键零件模型设置参数输入功能，根据型号规格、加工工艺、材料力学性能参数进行设置。

进一步的，在步骤3)中，通过有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型时，根据传动分析软件中输出的主减速器轴承中心点的坐标信息，在壳体有限元模型中建立对应轴承的中心点。

进一步的，在步骤3)中，使用有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型，模型包括桥包、主壳体和与车架板簧连接的安装板，部件之间使用bonded接触连接；

在有限元软件中，对驱动桥壳体上与板簧连接的安装板进行全约束，模拟驱动桥仿真过程中的接地约束状态；

在焊接或者连接区域使模型网格共结点，网格画完后，根据传动分析软件中输出的主减速器轴承中心点的定位尺寸信息，在壳体有限元模型中建立轴承中心点；并找出与主减速器轴承的外圈相连接的圆柱内表面，将轴承中心点与圆柱内表面上的网格结点做刚性连接，在壳体与车身的连接处建立固定约束模拟驱动桥实车安装状态，完成有限元模型的搭建。

进一步的，在步骤4)中，在有限元模型中，使用命令流生成能够被传动分析软件识别的带有轴承中心点的质量和刚度矩阵以及驱动桥壳体几何模型信息的有限元导出文件。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明使用有限元软件与专业的传动分析软件相结合，使用仿真实现对试验工况的模拟，可以减少试验量缩短试验周期，使用仿真模型对驱动桥进行优化改进，在正式改进实施之前查看改进效果，节省企业生产成本。同时该模型也可用于驱动桥强度等其他分析，缩短仿真建模周期。

(2)本发明避免了对齿轮、轴承等复杂几何划分有限元网格，使用专业的传动仿真软件对齿轮和轴承形状和参数进行调整设置，避免使用有限元软件重新建模耗费太多的时间，而且可以在传动仿真软件中进行轴承选配、齿轮修形等在一般有限元中无法实现的改进措施进行优化改进。

(3)本发明的最终振动响应分析返回有限元软件中完成，可以调取驱动桥壳体任意位置的结果信息，更有针对性的研究系统响应，为商用车驱动桥的振动分析提升系统NVH性能，为整车的舒适性改善提供技术支持。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述驱动桥振动仿真分析流程；

图2为本发明实施例所述传动分析软件得到的仿真模型；

图3为本发明实施例齿轮参数输入表；

图4为本发明实施例轴承参数输入表；

图5为本发明实施例驱动桥壳体的有限元模型示意图；

图6为本发明实施例有限元模型中建立轴承的中心点示意图；

图7为本发明实施例有限元模型中固定约束示意图；

图8为本发明实施例有限元模型结点与传动分析软件轴承相结合示意图；

图9为本发明实施例有限元导出文件与传动分析模型结合后的模型；

图10为本发明实施例壳体振动加速度频域曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明使用有限元仿真技术和专用传动分析软件相结合的方法，建立汽车驱动桥壳体的有限元模型，并导出减速器轴承节点的刚度和质量矩阵，同时在传动分析软件中对驱动桥的轴承、齿轮、花键、半轴和差速器建模，并将有限元模型导出的刚度和质量矩阵导入其中，计算各个工况下的轴承节点的动态位移载荷，将此载荷重新带入有限元模型中进行动态响应分析，得出驱动桥壳体的振动响应结果。具体如下：

1、通过传动分析软件建立汽车驱动桥的主减速器传动模型：

本实施例以某款商用车驱动桥为例，根据驱动桥减速器的相关图纸，使用专业的传动分析软件对驱动桥的主减速器建模，包括主从动锥齿轮、行星齿轮、差速器齿轮、十字轴、差速器壳体、主减速器壳体、轴承、半轴、花键等模型，如图2所示；

为使模型模拟实际的主减速器内的运动状态，在行星齿轮和主减速器壳体内壁需要建立虚拟概念轴承来防止齿轮与主减速器壳体接触；

在左右半轴外侧建立轮辋，并使用传动软件中的概念轴承支撑；

在左右半轴两端的轮毂上，需要建立概念轴承模拟实际状态下轮辋随半轴旋转的状态，概念轴承的内圈模拟与车身固定连接，仿真过程中不旋转；

传动分析软件在模型建立过程中，对齿轮、轴承、花键等关键零件模型设置了很多重要的参数输入功能，根据型号规格、加工工艺、材料力学性能等参数进行设置，如图3和4；

2、从主减速器传动模型中提取主减速器轴承中心点的定位尺寸信息：

测量传动分析软件建立的主减速器模型的各个轴承的坐标位置，用于在有限元中建立轴承对应的中心点，输出主减速器轴承中心点的定位尺寸信息；

3、通过有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型：

使用有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型，模型包括桥包、主壳体和与车架板簧连接的安装板，这些部件之间使用bonded接触连接；

在有限元软件中，对驱动桥壳体上与板簧连接的安装板进行全约束，模拟驱动桥仿真过程中的接地约束状态；

在焊接或者连接区域使模型网格共结点，保证各部件的连接，网格划分使用四面体单元，单元控制在8mm左右，网格划分结果如图5；

网格画完后，根据传动分析软件中输出的主减速器轴承中心点的定位尺寸信息(即主减速器轴承的安装位置)，在壳体有限元模型中建立轴承中心点；

具体的，并与壳体安装轴承的壁面使用MPC连接，共建立5个romote point点模拟驱动桥的5个轴承中心点，5个轴承分别为一个圆柱滚子轴承2，四个圆锥滚子轴承1，如图8所示。传动分析软件中给轴承建模时，根据CAD设计布置图，测量每个轴承中心点距离全局坐标系原点(0，0，0)的距离，得到X、Y、Z三个坐标值，利用传动软件模块在此点建立对应轴承。

在有限元模型中建立轴承中心点时，同样使用传动分析软件建模时测量的各个轴承中心点的坐标值，这样就保证了传动软件中轴承中心点和有限元软件中轴承中心点都与设计布置图的坐标相同，能够一一对应。

并找出与主减速器轴承的外圈相连接的圆柱内表面，将轴承中心点与圆柱内表面上的网格结点做刚性连接，如图6；在壳体与车身的连接处建立固定约束，如图7，模拟驱动桥实车安装状态，完成有限元模型的搭建；

4、在壳体有限元模型中，生成轴承中心点的质量和刚度矩阵：

在有限元软件中使用命令流生成能够被传动分析软件识别的有限元导出文件，该导出文件包含网格节点、壳体材料、接触和约束等信息：

PSOLVE,ELFORM

CELIST,,,,CONV

CDWRITE

FINISH

在有限元模型中，输入相关命令导出轴承中心点的质量和刚度矩阵以及驱动桥壳体几何模型的有限元导出文件；

5、将轴承中心点的质量和刚度矩阵导入传动分析软件，完善仿真模型：

将带有轴承中心点的质量和刚度矩阵以及驱动桥壳体几何模型的有限元导出文件导入传动分析软件中，将有限元模型中的5个轴承中心点与对应的传动分析软件中的轴承中心点建立连接，如图8所示，实现有限元模型与传动模型的结合，如图9所示；

6、计算并输出不同工况的轴承的载荷：

在传动分析软件中设置计算工况，定义转速、扭矩等载荷工况，进行NVH动态分析计算；

输出上述工况下的轴承中心点的动态位移信息，并将该信息导入有限元模型，赋予轴承中心点；

7、计算轴承载荷下的壳体振动响应：

使用有限元软件的动态响应分析功能，计算分析壳体模型的加速度响应，根据实际需要，可以输出驱动桥壳体上任意节点的响应加速度频域曲线，图10显示了驱动桥壳体上某节点的加速度频域曲线；

8、将得到的壳体振动响应与设计值进行比较：

将得到的壳体振动响应与设计值进行比较，

若符合设计要求，则设计合理，仿真模型可用于后续产品的提高或者其他方面的计算校核；

若不符合设计值要求，则可以通过对齿轮、轴承或者壳体结构等参数进行调节和优化改进，对模型进行修改，直至达到设计要求，降低振动响应来满足设计要求。

本发明有限元软件与传动分析软件相结合，充分考虑了齿轮、轴承的参数复杂性，在传动软件中对其进行建模和相关设置，既满足了建模的需要，又可以对设计参数、加工工艺、材料力学性能等进行输入和调整，缩短模型修改周期和仿真分析时间，为商用车驱动桥的计算分析以及优化改进提供了一种可行的方案，同时该方法建立的模型也可用于强度、传动误差等类型的仿真分析，避免重复建模延长产品设计周期。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，其特征在于包括如下内容：

1)通过传动分析软件建立汽车驱动桥的主减速器传动模型；

2)从主减速器传动模型中提取主减速器轴承中心点的定位尺寸信息；

3)通过有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型；

网格画完后，根据传动分析软件中输出的主减速器轴承中心点的定位尺寸信息，定位尺寸信息为主减速器轴承的安装位置，在壳体有限元模型中建立轴承中心点；

4)在壳体有限元模型中，生成轴承中心点的质量和刚度矩阵；

5)将轴承中心点的质量和刚度矩阵导入传动分析软件，完善仿真模型；

6)在传动分析软件中进行NVH动态分析计算，输出不同工况下的轴承中心点的动态位移信息，并将该信息导入有限元模型，赋予轴承中心点；

7)使用有限元软件的动态响应分析功能，计算轴承载荷下的壳体振动响应；

8)将得到的壳体振动响应与设计值进行比较：

若符合设计要求，则设计合理；

若不符合设计值要求，则通过对齿轮、轴承或者壳体结构参数进行调节，对模型进行修改，直至达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，其特征在于：在步骤1)中，采用传动分析软件对驱动桥的主减速器建模，包括主从动锥齿轮、行星齿轮、差速器齿轮、十字轴、差速器壳体、主减速器壳体、轴承、半轴、花键模型；

在行星齿轮和主减速器壳体内壁建立虚拟概念轴承；

在左右半轴外侧建立轮辋，并使用传动软件中的概念轴承支撑；

在左右半轴两端的轮毂上，建立概念轴承模拟实际状态下轮辋随半轴旋转的状态，概念轴承的内圈模拟与车身固定连接，仿真过程中不旋转；

传动分析软件在模型建立过程中，对关键零件模型设置参数输入功能，根据型号规格、加工工艺、材料力学性能参数进行设置。

3.根据权利要求1所述的一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，其特征在于：在步骤3)中，通过有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型时，根据传动分析软件中输出的主减速器轴承中心点的坐标信息，在壳体有限元模型中建立对应轴承的中心点。

4.根据权利要求1所述的一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，其特征在于：在步骤3)中，使用有限元软件建立驱动桥壳体的壳体有限元模型，模型包括桥包、主壳体和与车架板簧连接的安装板，部件之间使用bonded接触连接；

在有限元软件中，对驱动桥壳体上与板簧连接的安装板进行全约束，模拟驱动桥仿真过程中的接地约束状态；

在焊接或者连接区域使模型网格共结点，网格画完后，根据传动分析软件中输出的主减速器轴承中心点的定位尺寸信息，在壳体有限元模型中建立轴承中心点；并找出与主减速器轴承的外圈相连接的圆柱内表面，将轴承中心点与圆柱内表面上的网格结点做刚性连接，在壳体与车身的连接处建立固定约束模拟驱动桥实车安装状态，完成有限元模型的搭建。

5.根据权利要求1所述的一种汽车驱动桥振动仿真分析方法，其特征在于：在步骤4)中，在有限元模型中，使用命令流生成能够被传动分析软件识别的带有轴承中心点的质量和刚度矩阵以及驱动桥壳体几何模型信息的有限元导出文件。