魯 磊，王 飛，戴之祥

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 合肥 230011；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

防滑差速器借助于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以得到更大的內(nèi)摩擦力矩，從而改善車(chē)輛在左右附著系數(shù)不同的路面行駛時(shí)的通過(guò)性能，即通過(guò)增大內(nèi)摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)差速鎖止功能，將絕大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)力分配給附著系數(shù)較大側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪。目前，針對(duì)防滑差速器的主要研究成果有：文獻(xiàn)[1-3]針對(duì)電控防滑差速器的控制方法及策略進(jìn)行了研究如靳立強(qiáng)等利用前反饋與誤差反饋相結(jié)合來(lái)控制車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)所述控制系統(tǒng)的仿真研究，證明其在各種路面上均可改善動(dòng)力性和操作穩(wěn)定性；王云成等設(shè)計(jì)了一種新型的電控限滑差速器該系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)，可根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行工況和路面狀態(tài)調(diào)整限滑性能，以獲得較佳的驅(qū)動(dòng)附著效果[4]；同時(shí)還有很多學(xué)者針對(duì)防滑差速器的加工工藝、轉(zhuǎn)矩分配特性等進(jìn)行了一系列的研究[5-8]；譚宇文為了獲取防滑差速器殼體的固有振動(dòng)參數(shù)基于HyperMesh軟件開(kāi)展了防滑差速器殼體的有限元模態(tài)分析[9]；劉成通過(guò)AnsysWorkbench軟件對(duì)差速器的殼體、半軸齒輪、行星齒輪分別進(jìn)行了模態(tài)分析[10]；李帥奇等通過(guò)對(duì)差速器殼體進(jìn)行模態(tài)分析等基礎(chǔ)上進(jìn)行了差速器殼體的多目標(biāo)優(yōu)化[11]。綜上所述，眾多學(xué)者針對(duì)防滑差速器的控制策略、加工工藝、轉(zhuǎn)矩分配特性以及有限元模態(tài)分析方面開(kāi)展了大量研究，但對(duì)防滑差速器殼體有限元模態(tài)分析和模態(tài)測(cè)試的對(duì)比研究尚不成熟。

本文以某款四驅(qū)車(chē)所用的防滑差速器殼體為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和模態(tài)實(shí)驗(yàn)；通過(guò)分析結(jié)果的對(duì)比充分驗(yàn)證了所建有限元模型的正確性，為后期進(jìn)一步的靜力學(xué)分析提供了一定的理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 防滑差速器的模態(tài)仿真

1.1 模型建立

防滑差速器殼體上有定位銷(xiāo)孔、加強(qiáng)筋和軸承孔等，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要對(duì)殼體模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，而簡(jiǎn)化的前提是保證殼體的力學(xué)特性以及分析結(jié)果的正確性。具體簡(jiǎn)化的措施如下：①對(duì)倒角、過(guò)渡圓角這些細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化；②采用虛擬拓?fù)涮幚淼姆绞綄?duì)有尖角的面進(jìn)行處理。所分析的防滑差速器殼體材質(zhì)為QT450-10，根據(jù)該材料的實(shí)際特性參數(shù)在Abaqus軟件中將其密度設(shè)置=7.85 g/cm3，彈性模量E=169 GPa，泊松比=0.257。為了保證仿真的精確度，分析時(shí)將差速器殼體按照四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共劃分成134678個(gè)節(jié)點(diǎn)和654376個(gè)單元。圖1所示的模型便是在Abaqus軟件中建立的防滑差速器殼體的有限元仿真模型。仿真時(shí)所采用的工作站配置為24核雙CPU，頻率為2.1 GHz，可用內(nèi)存96 GB，仿真耗時(shí)約1～2小時(shí)。

圖1 防滑差速器殼體有限元模型

1.2 計(jì)算模態(tài)

Lanczos是種將對(duì)稱(chēng)矩陣通過(guò)反復(fù)迭代、正交、歸一化處理成對(duì)稱(chēng)三對(duì)角矩陣的算法[12]。在Abaqus軟件中采用Lanczos法對(duì)差速器殼體進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算其各階振型及固有頻率。

表1列出了該款防滑差速器的前6階固有頻率，圖2給出了各階的振型圖。

表1 計(jì)算模態(tài)前6階結(jié)果

(a)一階振型

(b)二階振型

(c)三階振型

(d)四階振型

(e)五階振型

(f)六階振型圖2 前6階振型圖

2 防滑差速器殼體的模態(tài)分析試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置

為得到自由狀態(tài)下防滑差速器殼體的振動(dòng)特性，采用軟繩懸掛的方式對(duì)其開(kāi)展模態(tài)試驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)：GBT 11349.3-2006《振動(dòng)與沖擊機(jī)械導(dǎo)納的試驗(yàn)確定第3部分：沖擊激勵(lì)法》。

(2)被測(cè)試驗(yàn)物件：某四驅(qū)汽車(chē)防滑差速器殼體。

(3)激勵(lì)方式：試驗(yàn)時(shí)采用力錘錘擊差速器殼體，使得殼體產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)將加速度傳感器合理的布置在差速器殼體的適當(dāng)位置；以改變激勵(lì)點(diǎn)、固定響應(yīng)點(diǎn)的方式進(jìn)行多次觸發(fā)采樣，將輸入、輸出信號(hào)放大后存入到采集系統(tǒng)。

(4)測(cè)試系統(tǒng)：整個(gè)模態(tài)試驗(yàn)的系統(tǒng)包含分析軟件、傳感器和信號(hào)采集系統(tǒng)等，試驗(yàn)所用具體設(shè)備如表2所示，儀器的連接方式簡(jiǎn)圖如圖3所示。

表2 模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備

圖3 試驗(yàn)設(shè)備連接簡(jiǎn)圖

(5)測(cè)點(diǎn)選擇：為了避免模態(tài)信息丟失，確保試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，在測(cè)點(diǎn)布置時(shí)遵循的原則為：以計(jì)算模態(tài)結(jié)果為依據(jù)，振動(dòng)較小處適當(dāng)布置若干測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)較大處測(cè)點(diǎn)布置的稍微密集一點(diǎn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

(6)試驗(yàn)測(cè)試方法：每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)敲擊4次，同時(shí)相干系數(shù)必須為0.85以上[13]，所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)被采集后利用DH5922模態(tài)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)殼體各階振型及固有頻率，測(cè)點(diǎn)模型如圖5所示。

圖5 殼體模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析得到防滑差速器殼體前6階的模態(tài)參數(shù)信息，如表3所示。

表3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)前6階結(jié)果

3 模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

基于防滑差速器殼體的有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比兩種方式下得到的模態(tài)參數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩種分析方法下差速器殼體的前6階振型基本相同，各階固有頻率誤差在5%以?xún)?nèi)。計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的對(duì)比

4 結(jié)論

這種以模態(tài)仿真分析為前提，模態(tài)實(shí)驗(yàn)為補(bǔ)充，模態(tài)有限元分析和模態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方法得到防滑差速器殼體的各階振型和固有頻率，并且二者所獲得的參數(shù)基本吻合，驗(yàn)證了所建有限元模型的正確性，為防滑差速器進(jìn)一步靜力學(xué)分析打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。