毕业论文设计桑塔纳轿车驱动桥的振动分析

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1、诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计任务书设计题目：桑塔纳轿车驱动桥的振动分析系部：机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学号：102011414学生： 指导教师（含职称）： （副教授） 专业负责人： 1设计的主要任务及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论和专业知识，深入了解汽车驱动桥结构组成的复杂性，应用相关软件完成其实体模型的建立，进行虚拟振动仿真分析，比较得出影响驱动桥结构振动的因素，给出具有工程实用价值的分析结果，为学生在毕业后

2、从事机械振动分析及软件应用工作打好基础。2设计的基本要求和内容（1）拆卸和实测汽车驱动桥，绘制草图；（2）完成驱动桥的实体模型仿真分析，比较相关数据得出分析结果；（3）编写设计说明书，完成实体模型仿真分析云图。3主要参考文献1 陈家瑞. 汽车构造. 第2版M.北京：机械工业出版社，2005，12 孙恒.陈作模.葛文杰.机械原理M.北京：高等教育出版社，2006，53 蔡敢为. 机械振动学M.武汉：华中科技大学出版社，2012，1 4 凌桂龙. ANSYS 14.0从入门到精通M.北京：清华大学出版社，20134进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅资料，确定总体规划，进行开题检查2013.

3、12.182014.03.162拆卸和实测并绘制草图2014.03.172014.04.133学习相关软件，完成实体建模，进行中期检查2014.04.142014.05.114完成实体模型的仿真，得出振动分析结果2014.05.122014.05.315整理毕业论文，准备答辩2014.06.012014.06.10桑塔纳轿车驱动桥振动分析摘要：驱动桥是汽车底盘上主要的振动和噪声源，驱动桥主减速器等齿轮结构在啮合中产生的冲击载荷通过半轴和连接轴承传递到驱动桥壳上，从而产生桥壳的振动。本文利用有限元技术，对桑塔纳轿车前驱动桥进行振动分析，并通过改变加强筋和材料，进行结果对比，提出改善驱动桥振动的方

4、向和措施。从查阅的国内资料来看，汽车驱动桥振动主要是由于驱动桥壳体内主减速器锥齿轮的动态激励与冲击而引起的壳体结构振动。因此本课题主要是通过有限元分析出驱动桥壳固有频率，然后和主减速器啮合传动引起的激励的频率作对比分析。本课题首先对驱动桥实体进行了拆卸、测绘，然后利用Pro/E软件建立了驱动桥壳的几何模型，之后通过无缝切换接口导入ANSYS软件建立有限元模型。在此基础上分析了驱动桥壳自由模态，得出了在2000Hz以内的固有频率，驱动桥壳固有频率较高，第一阶高达1007Hz，而资料显示桑塔纳轿车在90km/h速度下，由驱动桥主减速器啮合所产生对桥壳激励较大的频率主要有71.43Hz、128.57

5、Hz、200Hz、271.43Hz、314.28Hz，没有与桥壳的模态频率发生重叠，可见桥壳动态特性较好，能够成功的避开桥壳的共振频率。通过对去掉加强筋和改变材料的驱动桥壳进行模态分析，可知加强筋和材料对驱动桥壳的固有频率有较大的影响，适当使用加强筋可以提高驱动桥壳的刚度，提高驱动桥壳的固有频率，远离激励频率，改善了驱动桥壳的动态特性；材料弹性模量、密度、泊松比的提高之后，驱动桥壳固有频率提高，远离激励频率，改善了驱动桥壳的动态特性。所以驱动桥壳的减振可以从这两方面加以考虑。关键词：驱动桥，振动，几何建模，有限元Study on Santana drive Axle VibrationAbst

6、ract: The drive axle is the one of the main vibration and noise resources in transmitting mechanism. According to previous studies, the noise stem from the impact on axle housing which is produced by the gears joggling.It makes full use of FEM technology in this paper to analyze the vibration of San

7、tana drive axle. And by changing the stiffener and the material, comparing the results, put forward improving dynamic characteristics of the drive axle direction and measures. So this paper is mainly through the drive axle shell finite element analysis of the inherent frequency, and then compare wit

8、h the excitation frequency caused by the main reducer gear meshing. The main jobs of this paper are as follow:Firstly, remove，survey and map the drive axle entity. Secondly，the 3D model and FE model of the rear axle were established under Pro/E and ANSYS platform respectively. Thirdly the free modal

9、 analysis of the drive axle housing was carried out in order to attain the natural frequency and vibration shape of the rear axle housing within 2000Hz. It shows that the 1st natural frequency is 1007Hz. And data shows that frequency of Santanas main reducer meshing at 71.43 Hz, 128.57 Hz and 200 Hz

10、, 271.43 Hz, 314.28 Hz under 90 km/h speed produce great excitation. There is no overlap with the modal frequency of the drive axle shell, visibly drive axle shell has good dynamic characteristic, so it can successfully avoid the resonance frequencies of the drive axle shell.Reinforcement and materi

11、al has a large effect on natural frequency of the drive axle housing. Appropriate use of reinforcement can improve the stiffness of the drive axle shell, increase the natural frequency of the drive axle housing, away from the excitation frequency, and improve the dynamic characteristics of drive axl

12、e housing. Increase of elastic modulus, density, and poissons ratio, can increase drive axle shell frequencies, away from the excitation frequency, and improve the dynamic characteristic of the drive axle housing.Keywords: drive axle, vibration, geometric modeling, finite element 太原工业学院毕业设计目 录1 绪论11

13、.1 设计研究目的及意义11.2 驱动桥振动噪声研究21.3 本论文主要内容52 桑塔纳轿车驱动桥的结构及其传动原理62.1车辆驱动桥结构与分类62.2桑塔纳轿车驱动桥结构及其传动原理72.3桑塔纳轿车驱动桥的拆卸82.3.1 拆卸驱动桥的步骤82.3.2 拆卸驱动桥的注意事项83 桑塔纳轿车驱动桥壳实体建模93.1 实体建模软件Pro/ENGINEER简介103.1.1 Pro/E概述103.1.2 Pro/E的产生和发展103.1.3 Pro/E的典型设计思想113.2 使用Pro/E软件进行驱动桥壳几何建模124 桑塔纳轿车驱动桥壳有限元振动分析134.1有限元法概述144.2 ANSY

14、S软件简介154.2.1 软件介绍154.2.2 ANSYS主要功能174.3驱动桥壳的振动分析174.3.1 桑塔纳驱动桥振动的传递路径分析174.3.2 驱动桥壳有限元模型的建立194.3.3 桑塔纳轿车驱动桥壳的模态分析21结 论27参考文献30致 谢321 绪论1.1 设计研究目的及意义汽车驱动桥处于汽车传动系的末端，其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左右驱动车轮，并使左右驱动车轮具有汽车运动学上要求的差速功能。在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器（又称主传动器）、差速器、驱动车轮的传动装置及桥壳等部件。驱动桥的结构形式虽然可以各不相同，但在使用中对他们的

15、基本要求却是一致的，这就是设计中各种改进与研究所追求的根本目标，它们可归纳为： 选择的主减速比应能满足汽车具有最佳的动力性和燃料经济性； 保证左右驱动车轮能以汽车运动学所要求的差速滚动外并能将转矩平稳而连续不断（无脉动）的传递给左右车轮； 当左右驱动车轮与地面的附着系数不同时，应能充分的利用汽车的牵引力； 驱动桥各零部件在保证其强度、刚度、可靠性及寿命的前提下应力求减小簧下质量，以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车的平顺性； 能承受和传递路面和车架的铅垂力、纵向力和横向力，以及驱动力矩和制动力矩； 轮廓尺寸不大以便于控制驱动桥离地间隙； 齿轮与其他传动部件工作平稳，无噪声； 驱动桥设

16、计应能尽量满足标准化、通用化和系列化及汽车变型的要求； 在各种载荷和转速工况下有高的传动效率。而在机械系统不断高速化的今天，其中、问题尤为突出，而且这三个问题的好坏直接影响到其他基本要求的实现，这三个问题可归纳为驱动桥系统的振动问题。而驱动桥的振动噪声问题不但影响周围环境，同时驱动桥的振动噪声问题也将成为驱动桥桥壳断裂、齿轮系统磨损加剧，甚至烧死的重要原因。因此，对于驱动桥的传动性能及其振动噪声的研究具有十分重要的意义6。汽车驱动桥是汽车传动系主要的振动和噪声源之一。它除了产生齿轮噪声、轴承噪声外，还激发壳体的表面振动而辐射噪声，同时由于驱动桥支持在悬架上，受簧上振动质量和扭转的作用以及路面不

17、平的影响，会产生强烈的弯曲振动和扭转振动，特别是在共振的情况下，会产生强烈的噪声。不但影响汽车车辆动力传动系的工作可靠性，产生令人不适的噪声，同时还可能引起车身垂向和纵向振动，影响乘座的舒适性。从查阅的国内资料来看，汽车驱动桥噪声主要是由于驱动桥壳体内主锥齿轮的动态激励与冲击而引起的桥体结构声辐射。传统汽车驱动桥噪声的控制方法主要是基于试验并在试验的基础上提出改进方案，其缺点是测试精度主要取决于实验者的经验和实验水平，并且测试设备和培训费用昂贵。随着计算机软硬件技术和现代设计分析技术的发展，利用计算机分析技术来解决实验测试中的遇到种种的问题已经成为一种趋势，本课题将使用Pro/E、ANSYS等

18、软件完成桑塔纳轿车驱动桥的实体模型建立并进行驱动桥壳的虚拟振动分析5。1.2驱动桥振动噪声研究近年来，人们对汽车的舒适性要求越来越高，随着对减小汽车振动的要求的提高，对动力传动系统振动特性进行更深层次研究就显得十分必要。驱动桥作为传动系统主要振动源之一，对其振动特性的研究显得尤为重要。国外多年前便开始了这方面的研究，先进的整车生产厂商从80年代开始就在产品研发的常规内容中增加了汽车结构的动态特性方面的研究。尤其是自90年代以来，诸多大型汽车公司，如丰田（Toyota）、通用（GM）、福特（Ford）、克莱斯勒（Chrysler）等,为了解决汽车的振动噪声问题，在其工程研究中心专门设立了 NVH

19、分部。近年来，测试技术和数据处理技术跟随着计算机技术的发展也取得较大的进步，这为更加深入地研究驱动桥的声振性能创造了有利条件，随之出现了模态综合法、有限元法等分析方法。戴姆勒克莱斯勒公司的In Soo Suh和Jeff Orzechowski对后驱车辆传动系统动态响应与车内低频轰鸣噪声及高频喊叫噪声的关系进行了试验研究。Sang Kwon Lee等对车内驱动桥系统喊叫噪声进行了传递路径识别，发现空气福射是喊叫噪声的主要传递路径，通过系统模态调整与齿轮修形能够对喊叫噪声进行很好的控制。国内的工作者在驱动桥方面也做了大量的研究工作：吉林大学的李丽，利用CATIA对驱动桥壳进行了三维建模，然后利用有

20、限元软件分析了驱动桥壳在几种典型工况下的受力情况，得到了对应的应力分布和变形分布图；最后对桥壳进行了受载的疲劳寿命分析，在此基础上提出了改进方案，并在实际中得到应用。合肥工业大学的林正样，利用ABAQUS和ANSYS.WORKBENCH对某中型货车的驱动桥进行了动力性能和疲劳寿命进行了研究，主要分析了桥壳在紧急制动工况下的力-位移曲线，以及阻尼和路面滑动附着系数等因素对驱动桥壳承载能力的影响。浙江大学的孟庆华、周晓军、庞茂等研究人员，对6480型驱动桥的表面声强、声功率、表面声压以及表面振动加速度进行了全面的测量，并进行了系统的时域和频域分析，之后根据逆序法证明了驱动桥的噪声信号为非稳态信号，

21、分析结果显示；驱动桥噪声产生的根本原因是主减速器齿轮在传动轴的驱动下产生的啮合冲击与振动，而直接原因则是桥壳受到激励而产生的振动；驱动桥后盖和凸缘是主要的噪声辐射源；驱动桥噪声的能量王要集中在400-2200Hz的范围内。因此,要降低驱动桥的噪声，必须从减振入手。东风汽车工程研究院的唐善政，针对主减速器对驱动桥振动噪声的影响，由驱动桥产生振动和噪声的机理出发，从主减速器齿轮精度、齿轮的设计参数、齿侧的间隙、齿轮副接触区的形状和位置、主减速器总成的支撑刚度以及润滑油等多方面进行了讨论，为如何降低汽车驱动桥总成的噪声从设计、制造等方面提供了有效的途径。西安交通大学的仪垂杰、张建、宋雷鸣等研究人员，

22、对JHC6400型汽车驱动桥的噪声功率、表面声强、表面声压、表面振动加速度及相应的频谱等进行了全面、系统的测量与分析。通过分析得出：主减速器齿轮在运行过程中产生的冲击与振动是驱动桥噪声产生的根本原因，而驱动桥壳体结构表面的振动则是驱动桥噪声产生的直接原因；驱动桥噪声能量的主要分布频带为100-2000Hz，它是由桥体和后盖的表面噪声构成。因此，要控制驱动桥的噪声需从减振入手，以发声体和振动传递路径为主要的研究对象，主要控制上述频带内的振动为主。在此研究基础上，通过引入一种薄膜阻尼结构来对后盖的结构进行改进，这种阻尼结构能有效损耗后盖的振动能量，最终使驱动桥本体的降噪量达到4dB 。浙江大学的宫

23、然、周晓军、张志刚等研究人员，以汽车驱动桥作为算例，运用声学传递向量仿真算法，对动力传动系统进行了结构声福射的仿真研究，通过计算得到了驱动桥壳体结构表面的福射声压级和外场点上的声压级等声学响应。之后在自行研制的驱动桥性能试验台上进行试验，验证了仿真计算的结果。最终证明传递向量法在汽车传动系统的声振分析时有较高的置信度和识别能力，是一种适用于结构声振分析的可靠仿真方法。重庆大学的张健利用现代CAD/CAE技术，对某微型汽车的驱动桥总成进行了振动噪声仿真分析，在此基础上针对主要的噪声福射源，在保证改动后的结构不会与原结构发生干涉和重大尺寸改动的前提条件下，对驱动桥壳的主要噪声福射源进行了结构修改，

24、通过在振动壳体表面加凹槽筋的方法来抑制壳体的振动，从而达到降噪的目的，效果明显。长安汽车工程研究院的唐禹、李宏成等研究人员针对某款商务车低速时车内的轰鸣声进行了研究，试验分析发现该轰鸣声是由驱动桥共振引起。利用试验模态分析与有限元分析手段分别对驱动桥模态、车身模态及声腔模态进行了参数识别，发现了三者之间的亲合关系。最后从振动传递路径方面着手，提出了板簧吊耳衬套调软并在驱动桥上增加动态吸振器的优化方案，试验证明对改善车内轰鸣声效果明显。为了降低结构的噪声，迄今大部分的工作都是围绕控制结构的振动这方面来开展的，因为从声学系统的角度分析,结构的噪声均源自结构的振动。具体来讲主要从两个方向进行，一方面

25、是控制振动噪声的传播途径。即通过改变结构的材料、形状尺寸等参数来减小振动，这类方法通常称作无源控制技术；另一类方法是对噪声源或者振动源进行主动控制，即有源控制技术。目前有源消声技术的研究已取得一定的成功，但主要应用于船舶、舰艇等的驾驶室内的噪声控制，而驱动桥噪声属于中高宽频噪声，有源消声技术并不太适用；如果对驱动桥壳采用有源消振技术来达到驱动桥减振降噪的目的，在经济性和使用环境方面也是不可取的，并且还会引入寿命和稳定性问题。无源噪声控制是一种传统有效的常用技术，工程中较为常见的处理手段包括消声、吸声、隔声、隔振以及阻尼减振等并取得了很好的效果。王昊涵和刘斌以降低车内噪声为研究目标，对顶棚模态的

26、移频以及振型控制进行了研究。仪垂杰等人在驱动桥后盖上采用了薄膜阻尼结构，使得驱动桥壳本体降噪量达到4dB。在驱动桥减振降噪方面，最积极有效的控制办法是通过改善驱动桥本身结构、材料属性等参数，以减小桥壳的振动,从而使得驱动桥的噪声降低。从前人针对驱动桥所做的研究工作中不难发现，目前对驱动桥的研究大多集中在桥壳的疲劳强度和其振动噪声方面11。鉴于本科学习知识的局限性，本课题重点是对桑塔纳轿车驱动桥壳进行实体建模和驱动桥壳振动的简单分析。1.3 本论文主要内容（1）驱动桥的类型、结构及其传动原理简介。（2）拆卸桑塔纳轿车前驱动桥的注意事项。（3）本论文主要以早期普桑前驱动桥为研究对象，利用功能强大的

27、工业三维建模软件 Pro/E，建立了该型汽车前桥桥壳的三维简化模型，用以作为有限元计算的几何模型。（4）利用 ANSYS 和 PRO/E 的接口，将模型导入 ANSYS 中，再在ANSYS 软中对驱动桥壳进行合理的有限元模型处理，划分单元格。（5）利用 ANSYS 动力学分析模块对前驱动桥壳进行自由模态分析。2 桑塔纳轿车驱动桥的结构及其传动原理2.1 车辆驱动桥结构与分类驱动桥是车辆的重要组成部分，其主要的结构型式有如下几种：（1）单级或双级齿轮主减速器式驱动桥，驱动桥的主减速器采用单级螺旋锥齿轮或双曲线齿轮型式，传动比一般小于7，否则驱动桥离地间隙太小。当传动比再大（一般i=7-12）时，

28、须用双级主减速型式，一般第一级为斜齿圆柱齿轮传动，第二级为螺旋锥齿轮，这种结构型式只是为了增大传动比，由于驱动桥尺寸太大，质量较大，尤其是输入端至车轮中心线水平距离太大，这对于结构紧凑的工程车辆来说，布置上比较困难，因此现在的工程车辆一般不再用这种双级主减速器型式的驱动桥；（2）蜗轮蜗杆主减速器式驱动桥，其主要优点是,首先蜗轮蜗杆传动比较大，一般i=7-80，因此不再需要其它减速环节，另外蜗轮蜗杆结构型式使驱动桥输入轴线抬高，减少了变速器输出轴与驱动桥输入轴之间的高度差，这样可使用更短的传动轴，减少整车的轴向尺寸。但是，由于工程车辆工作条件差，蜗轮蜗杆之间存在着相对滑动，加之蜗杆在上，润滑较差

29、，所以磨损很严重。另外，由于蜗轮蜗杆尺寸较大，使驱动桥的离地间隙较小；（3）前置齿轮箱式驱动桥，这种驱动桥实际上是在主减速器前面又加了一个卧式或立式的齿轮减速箱，以增大传动比。这种型式的驱动桥在传动轴之后，驱动桥主减速器之前加了一级卧式齿轮箱。该驱动桥适于发动机重心较低，各部件尺寸比较紧凑的车辆；（4）后置齿轮箱式驱动桥，美国CLARKCT系列牵引车采用这种型式的驱动桥，这种驱动桥保留了蜗轮蜗杆主减速型式的优点，克服了它的不足，传动效率高，而且大大减小了整车的轴向尺寸和轴距；（5）带轮边减速器式驱动桥，驱动桥主减速器一般为单级螺旋锥齿轮型式，轮边减速器为行星齿轮式减速器。采用这种结构型式主要是

30、为了增大驱动桥的总传动比(一般i=10-38)。另外，由于主减速器外传递扭矩较小，使驱动桥尺寸减小，离地间隙增大。国内农用机车、叉车和新研制的各类牵引车等广泛采用这种带轮边减速器式的驱动桥。但是，这种型式的驱动桥的输入轴线与车轮轴线在同一水平面内，并不能减小变速器输出轴与驱动桥输入轴之间的高度差，使动力及传动系统的布置比较困难。为解决这个问题，常将发动机曲轴中心线向下倾斜一定的角度，将驱动桥的输入轴线向上翘起一个角度，以减小传动轴万向节传动的夹角。（6）单级立式齿轮式轮边减速驱动桥，这种驱动桥又称龙门桥，主减速器为单级螺旋锥齿轮减速方式，轮边减速器为立式单级齿轮减速器。驱动桥的输入轴线比车轮的

31、轴线要高，高度差等于轮边减速器的中心距，但这种型式的驱动桥制造工艺过于复杂，应用不多1。本文讨论的驱动桥是前置齿轮箱式前驱动桥。2.2桑塔纳轿车驱动桥结构及其传动原理桑塔纳轿车驱动桥处于汽车传动系的末端，其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左右驱动车轮，并使左右驱动车轮具有汽车行驶运动学上要求的差速功能。在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器（又称主传动器）、差速器、驱动车轮的传动装置及桥壳等部件。图2.1为桑塔纳轿车动力传动路径和驱动桥工作原理图。左驱动车轮减小转速增大转矩半轴1主减速器变速箱发动机差速器右驱动车轮实现左右驱动车轮不同的转矩和转速半轴2图2.1 动力

32、传动路径与驱动桥工作原理驱动桥壳2.3 桑塔纳轿车驱动桥的拆卸本论文驱动桥实体数据的获得方式是对实验室旧驱动桥进行实体测绘，由于驱动桥是从旧桑塔纳轿车上拆卸下来的，是一个与车架、刹车等部件连接的整体，所以在测绘之前必须对驱动桥进行拆卸和清理。2.3.1 拆卸驱动桥的步骤：（1）拆除发动机；（2）拆除车架；（3）拆除前置变速箱；（4）拆卸万向节，拆掉刹车；（5）拆卸半轴；（6）拆卸差速器。2.3.2 拆卸驱动桥的注意事项（1）拆卸时要戴手套，一是为了避免碰伤，二是因为旧机器油污太大；（2）一般每一步拆卸之前都应做简单清理，以便找到要拆除的全部螺栓，拆卸下的每个部件再做仔细清理；（3）机器应吊起或

33、者支撑起，最好选择支起，因为选择吊起有可能松动的部件掉下砸伤人（实验室有一台0.5t的液压吊车，所以本课题选择吊拆）；（4）先拆半轴，后拆差速器，否则拆不下差速器；（5）发动机输出轴有一段花键连接，所以连接螺栓拆除后应缓慢拆除发动机；（6）万向节连接使用防盗螺钉，实验室没有拆除防盗螺钉的专用工具，采用的方法是锯掉。图2.2为拆分以后的桑塔纳轿车前驱动桥。图2.2 前驱动桥拆卸图3 桑塔纳轿车驱动桥壳实体建模 3.1 实体建模软件Pro/ENGINEER简介计算机辅助设计（即通常所说的CAD技术）在工业设计领域得到广泛应用，它的发展日新月异。随着计算机图形学、几何造型学、计算机网络技术和工程设计

34、标准化等高新技术的不断成熟和完善，CAD软件迅速发展到较高的水平，并在工业设计领域发挥着越来越重要的作用。Pro/E正是优秀CAD软件的典型代表之一。3.1.1 Pro/E概述CAD技术产生于20世纪60年代。在40 余年的发展历程中，随着工业自动化水平的提高，在船舶、汽车以及航空航天等高精尖的技术领域里，大量复杂的设计课题成为功能强大的CAD软件发展的强大推动力，因此，作为CAD技术标志的CAD软件取得了突飞猛进的发展。最初的大型CAD软件基于UNIX工作站，价格昂贵使用复杂，培训、维修和升级费用高，极大地限制了软件的普及与推广。随着Windows平台的推广，其使用性能的不断提高，个人计算机

35、逐步具备了与中低档UNIX工作站竞争的实力。在Windows平台上的新一代微机CAD软件系统基本上都采用了典型的Windows界面风格和操作规范，并以其低廉的价格和简单操作受到越来越多用户的青睐。3.1.2 Pro/E的产生和发展 20世纪90年代以后，参数化造型理论已经发展为CAD技术重要基础理论。使用参数化思想建模简单方便，设计效率高，应用日趋广泛。美国PTC（Parametric Technology Corporation，参数技术公司）率先使用参数化设计理论开发CAD软件，其主流产品就是Pro/ENGINEER（简称Pro/E）软件。PTC公司成立于1985年，于1988年发布了Pr

36、o/E软件的第一个版本。1998年PTC收购了其竞争对手CV（Computer vision）公司，逐渐发展成为世界上规模最大的软件公司之一。Pro/E软件自面市后因其优良的使用性能获得众多CAD用户的肯定，现已广泛用于工业设计的各个领域，用来实现大型装配体的设计、制造、功能仿真以及产品数据管理等诸多任务，是典型的CAD/CAM/CAE集成软件。Pro/E经历了20余年的发展后，技术上逐步成熟，成为当前三维建模软件的领头羊。目前，PTC公司以每半年推出一个新版本的速度不断改进软件的不足。3.1.3 Pro/E的典型设计思想在当今众多的CAD软件中，Pro/E以其强大的三维处理能力和先进的设计理

37、念以及简单实用的操作而被众多设计者接受与推崇，在机械设计与加工制造领域中应用广泛。与其他CAD软件相比，Pro/E 具有鲜明的特点，在设计过程中，只有把握好这些特点，才能充分发挥软件的长处，提高设计效率。（1）特征建模思想“特征”的概念在现代设计中应用越来越广泛。特征是对具有相同属性的具体事物的抽象。在Pro/E软件中，特征是指组成图形的一组具有特定含义的图元，是设计者在一个设计阶段完成全部图元的总和。特征的划分有以下3个主要依据。特征创建的原理：如拉伸实体特征和混合实体特征；特征的用途：如实体特征和基准特征；特征的结构特点：如圆孔特征和筋特征。Pro/E的特征建模思想为操作和管理图形上的图元

38、提供了极大的方便。一个三维实体模型就是众多的特征以“搭积木”的方式组织起来的，因此特征是模型结构和操作的基本单位，模型创建过程也就是按照一定顺序依次向模型中添加各类特征的过程。为了管理这些特征系统设置了一个优秀的特征管理员模型树。在模型树记录下模型的创建轨迹，方便了设计者进一步修改自己的设计意图。（2）参数化设计思想在早期CAD软件中，为了获得准确形状的几何图形，设计时必须依次定位组成图形的各个图元的大小和准确位置。系统根据输入信息生成图形后，如果要对图形进行形状改变比较困难，因而设计灵活性较差。Pro/E引入了参数化设计思想，大大提高了设计灵活性。根据参数化设计原理，绘图时设计者可以暂时舍弃

39、大多数繁琐的设计限制，只需抓住图形的某一特点绘出图形，然后通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生后即可获得理想的图形，这就是重要的“尺寸驱动”理论。（3）单一数据库思想所谓单一数据库就是在模型创建过程中，实体造型模块、工程图模块、模型装配模块以及数控加工模块等重要功能单元共享一个公共的数据库。采用这样的公共数据库的优势在于设计者可以通过不同的渠道获取数据库中的数据，也可以通过不同的渠道修改数据库中的数据，系统中数据库是唯一的。单一数据库的最大特点就是其实时性。根据尺寸驱动原理，一旦修改了模型中设计参数，也就修改了单一数据库中的资料，这个改动会驱动与模型相关

40、的各个环节自动更新设计结果。因此，当多个设计单位共同开发一个产品时，所有设计单位都可以随时获取最新的设计数据。在模型装配过程中，如果将设计完成的零件装配为组件后发现效果并不理想，并不需要修改零件后在进行装配，这时可以修改不符合设计要求的零件，一旦参与装配的零件被修改，其装配结果立即更新。对照装配图反复修改零件的设计，最后就能获得满意的装配结果15。3.2 使用Pro/E软件进行驱动桥壳几何建模几何模型是有限元模型建立的基础，同时几何模型的建立必须既要考虑几何模型的形状特点，又要结合有限元模型的特点进行模型的建立。因此，在几何模型建立之前，根据有限元分析的特点，有针对性地对桥壳几何模型做一些不影

41、响计算精度的假设和简化。本章节在进行几何建模的过程中，做了如下假设：（1）忽略桥壳焊接处材料特性的变化； （2）桥壳的材料各向同性。 在不影响桥壳计算精度的前提下，对桥壳做了以下合理的简化处理：（1）忽略一些螺栓孔的细小特征；（2）对桥壳局部的细小圆角采用直角建模，这样做既有利于有限元网格的 划分，又缩短了计算成本；（3）忽略到桥壳上不影响桥壳结构的细小附属构件及特征。 根据上述假设和简化，参考由图3.1的实体测绘得到的草图，利用三维建模软件Pro/E建立驱动桥壳的三维几何模型，图3.2为驱动桥壳几何模型。图3.1 驱动桥壳实体 图3.2 驱动桥壳几何模型4 桑塔纳轿车驱动桥壳有限元振动分析4

42、.1有限元法概述有限单元法是20世纪50年代开始发展起来的数值方法，它使许多复杂的工程分析问题迎刃而解。有限单元法的广泛应用，对工程的设计、施工过程分析和工程测反演都产生了重大影响。有限元法的思想可以追溯得很早，但其应用却是1943年美国人柯朗特（CourantR.）在处理圣维南扭转问题时提出的。柯朗特将所有的柱体截面划分成若干个三角形单元，在每个单元内设定呈线性分布的翘曲函数，然后用做小势能原理求解。其后的普拉格（Pragerw.，1947）、辛格（SyngeJ.L.，1953）提出了超圆法，促进了这种离散化方法的发展。1956年，特纳(TurnerM.J.)、克劳夫(CloughR.W.)

43、、马丁(MartinR.J.)和托普(ToppL.J.)等把位移法应用于飞机结构的平面应力计算中。1960年，克劳夫正式的引用了“有限元法”这个名词。威尔逊后来在有限元程序系统方面进行了许多有意义的研究，他编写了包含多种单元的有限元程序SAP，并于1981最早编写了适应微处理机的程序SAP81。目前已经面世的有限元程序很多，其中比较常用的大型有限元软件有ANSYS，NASTRAN，ABAQUS，I-DEAS，SAP2000等。我国大连理工大学的顾元宪等研制的JIFEX是我国目前唯一的有限元软件，本章主要采用ANSYS进行驱动桥部件的模态分析。在有限元法中，为了简洁、清晰地表示各基本量及它们之间

44、的关系,便于应用计算机进行实际计算，大量采用矩阵表示和矩阵运算，实际上有限元法就是结构力学的矩阵法在弹性力学中的推广和发展。有限元法的基本思想是将连续的几何结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点之后便可通过设定的插值函数单元上以至整个集合体的场函数。有限元离散过程中，相邻单元在同一节点上场变量相同达到相同，但未必

45、在单元边界上任一点连续；在把载荷转化为节点载荷的过程中，只是考虑单元总体平衡，在单元内部和边界上不用保证每点都满足控制方程。有限元分析的基本步骤如下：（1）建立求解域并将其离散化为有限单元；（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数；（3）建立单元方程；（4）构建单元整体刚度矩阵；（5）施加边界条件、初始条件和载荷；（6）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果（如节点的位移、应力、应变、温度等）；（7）获取用户感兴趣的数据。4.2 ANSYS软件简介64.2.1 软件介绍ANSYS是国际最著名的大型通用有限元软件之一，广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、电子电气

46、、船舶、压力容器、核能、生物医学等众多领域。ANSYS以其Mu1tiphysics（多物理场）分析功能而著称。它包括有结构、流体、电磁、热四大学科，并提供了各物理场间互相耦合的功能。ANSYS经过三十多年的发展，从大型机、工作站到PC机，现在已经可以应用于各种系统，并支持同构及异构网络的的并行计算，目前ANSYS的最高好版本为ANSYS14.0。ANSYS软件与很多CAD软件的接口良好，使用户在建模方面更加方便，增强了CAE软件的可操作性，目前ANSYS与几乎所有的主流CAD软件，如UG、Pro/E、Solidworks、Solidege、CATIA等都有直接的接口。ANSYS软件功能非常强大

47、，应用范围很广，其极为友好的图形用户界面(GUI)和优秀的程序架构非常重要，基于Motif标注的GUI主要由主窗口和输出窗口组成。主窗口主要由五个部分组成，分别为：（1）Utility菜单这部分菜单主要通过ANSYS相关功能组件其作用，比如文件控制、参数选择、图像参数控制及参数输入等。（2）InputWindows（命令输入窗口）命令输入窗口（也称为命令栏）显示程序提示信息并允许用户直接输入命令，简化分析过程。（3）Toolbar（工具栏）工具栏主要由单击按钮组成，这些按钮都是ANSYS中非常常用命令。用户可以根据自己工作类型定义自己的工具栏以提高分析效率。（4）MainMenu（主菜单）主菜

48、单包括了ANSYS最主要的功能，分为前处理器(Preprocessor)、求解器(Solution)、通用后处理器(GeneralPostprocessor)、设计优化(DesignOptimizer)。（5）GraphicWindows（图形窗口）图形窗口显示分析过程的图形，在图形窗口中实现图形的选取。在这里可以看到实体建模各个过程的图形并察看到随后分析的结果。输出窗口显示程序的文本信息，即以简单表格形式显示过程数据等信息。通常，输出窗口被主窗口遮盖，当然，如果需要随时可以将输出窗口拖到前面。完全交互式图形操作是ANSYS软件一个非常重要的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中分析求解

49、结果都非常重要。ANSYS软件的PowerGraphic能够非常迅速的完成ANSYS几何图形及计算结果的显示，而且如此迅速的显示几何图形是以对象而不是以数据重新在存储的。PowerGraphic的显示特性保证图形显示的精度，通过PowerGraphic显示的图形几乎可以达到照片的质量，既可保证单元和等值线的显示，又可用于显示p单元或者h单元。PowerGraphic的显示特性加速了等值线显示、断面/覆盖/Q-切片显示以及在Q-切片中的拓扑显示。ANSYS按其功能可以分为几个处理器：前处理器、求解器、两个后处理器和几个辅助处理器（如设计优化器）。ANSYS的前处理器用于生成有限元模型，指定随后的

50、求解中所需参数；ANSYS求解器用于施加载荷并定义约束，然后完成求解；ANSYS后处理器用于提取并检查分析结果，并帮助用户完成对分析结果的评估。ANSYS采用通用的集中式数据库存储所用模型数据及分析结果。模型数据（包括实体模型和有限元模型、材料参数等）通过前处理器写入数据库；载荷及约束通过求解器写入数据库；分析结果通过后处理器写入数据库。任何数据写入数据库后，如有需要可以被其他处理器调用。例如，后处理器不仅可以调用分析结果，而且可以调入模型数据然后利用这些数据进行后处理计算。4.2.2 ANSYS主要功能ANASYS是一种融结构、热、流体、电和声于一体的大型CAE通用有限元软件，广泛的应用于核

51、工业、铁路、航空、机械、汽车交通、国防军工、土木、水利、矿业、船舶以及日常一般工业。其基本功能可分为：（1）结构静力分析。结构静力分析用于求解外载荷引起的位移、应力和应变，适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题。这类分析广泛应用于机械工程和结构工程，包括了线性分析及非线性分析。非线性分析通常通过逐渐施加载荷来完成，以获得精确解；（2）结构动力学分析。动力分析用于求解随时间的载荷对结构或部件的影响，与静力分析不同的是，动力分析需要考虑载荷随时间的变化及阻尼和惯性的影响。一般这类载荷包括了：交变力、冲击力、随机力以及瞬态力（如桥梁、铁路等的动载荷）。ANSYS的结构动力分

52、析包括模态分析、谱响应分析、谱分析和瞬态响应分析；（3）结构非线性分析。结构非线性分析包括材料非线性分析、几何非线性分析和单元非线性分析，是结构的非线性导致结构或部件的响应随载荷不成比例的变化关系。其他基本功能还包括了热分析、电磁分析、流体动力分析及压电分析等。其高级功能还包括多物理场藕合分析、优化设计、生死单元、拓扑优化等。本课题主要是利用有限元软件建立桑塔纳轿车驱动桥壳的有限元模型，并进行自由模态分析。4.3驱动桥壳的振动分析4.3.1桑塔纳驱动桥振动的传递路径分析根据桑塔纳轿车驱动桥的工作原理、工作状态，将驱动桥的振动路径分为：（1）发动机输入扭矩作用于输入轴，激发齿轮振动，传动到半轴两

53、端的轴承，轴承再将振动激励传递到驱动桥壳上；（2）齿轮啮合过程中，激发结构振动，通过齿轮轴，差速器及其轴承，将振动激励传递到驱动桥壳上；（3）轴承振动激励及其旋转体的不平衡运动产生的振动激励，其通过支撑轴承传递到驱动桥壳上；（4) 流体与驱动桥零件的冲击一方面将振动通过驱动桥桥内零件传递到驱动桥壳上，另一方面直接与驱动桥壳作用产生振动。图4.1为驱动桥的振动激励传递示意图。驱动桥振动系统流体冲击振动轴承振动、旋转体偏心不平衡齿轮啮合输入轴轴 承齿轮轴、差速器驱动桥壳齿轮、齿轮轴驱动桥壳驱动桥壳轴 承驱动桥壳驱动桥壳图4.1 驱动桥的振动激励传递示意图从图4.1可以看出，在振动传递过程中，对于任

54、意一条传递路径，驱动桥壳都是最终的承受体10。因此在桑塔纳轿车驱动桥系统的振动分析中，将驱动桥壳作为主要研究对象，对壳体进行模态分析。从查阅的国内资料来看，汽车驱动桥振动主要是由于驱动桥壳体内主减速器锥齿轮的动态激励与冲击而引起的壳体结构振动。因此本课题主要是通过有限元分析出的驱动桥壳固有频率和主减速器啮合传动引起的激励的频率，作对比分析。4.3.2 驱动桥壳有限元模型的建立进行有限元分析的关键步骤之一，是建立有限元模型，有限元模型建立的好坏关系到计算速度和计算精度。有两种方法可以建立有限元模型：（1）建立几何模型后，对模型进行网格划分得到有限元模型；（2）通过直接建立节点的方法建立有限元模型

55、。两种方法对比，前者适应更强，而后者对网格的控制能力更强。前者几何模型的建立既可以在ANSYS软件中直接建立，也可以CAD系统软件中建立，而后导入到ANSYS中。需要注意的是，直接生成网格单元虽然可控性强，但操作的数据量极大；除建立十分简单的有限元模型外，不建议采用直接生成网格的方法。导入几何模型一般特点为：模型复杂、在ANSYS软件中建立比较繁琐困难；几何文件在CAD系统中高效地建立完成，直接导入ANSYS做适当的处理即可使其划分网格模型以适应多种不同分析，不需要再进行重新建立模型，达到减少时间的效果。有一点需要注意的是，计算时间要在可以接受的范围也就是电脑的配置要跟上要求。导入法的优点：可

56、快速生成复杂的3D实体零件模型（包括装配模型.ASM）；一次性导入ANSYS后基本不用修修补补，兼容性较好，可认为无缝连接，一次性导入的成功率达99.9%以上。注意：（1）导入单位制设置成国际单位制或方便读取结果的单位制以防结果失真，表4.1为国际单位制。表4.1 国际单位制物理量长度力时间温度压力面积质量单位mNsKPakg设置为国际单位制确保了分析结果不失真，且易于读懂结果数据。ANSYS中无单位。需要自己统一单位，即确保在整个系统中对同一元素使用同一单位，不可出现不同的单位用于同一元素。（2）划分网格划分网格时使用Smart Size智能划分效果最好，根据情况选取适当的划分等级，默认为6

57、级，也可以用简单的切分体操作进行划分14。本课题已经在Pro/E软件中建立了桑塔纳轿车驱动桥壳的几何模型，所以用的是导入法。首先将在 Pro/E 中建立的驱动后桥的几何模型以 x_t的格式保存，然后将其导入到ANSYS中，接着对几何模型进行检查和局部修改以满足 ANSYS 网格划分的要求；划分网格，建立桥壳的有限元模型。 导入几何模型后，需要为驱动桥分配单元类型以及定义实常数，从而建立有限元模型。其具体过程如下：定义单元类型。对此问题，采用结构分析，选用solid185；定义驱动桥壳材料属性。材料为铸铁：密度7800kg/，弹性模量E=200GPa，泊松比0.3；图4.2桑塔纳轿车驱动桥壳有限

58、元模型划分网格。使用Smart Size智能划分，划分等级选取默认6级。图4.2为桑塔纳轿车驱动桥有限元模型。4.3.3桑塔纳轿车驱动桥壳的模态分析模态分析(Model analysis)一般用于确定结构的振动特性，即确定结构的固有频率和振型（模态），同时模态分析也是谐响应分析、瞬态动力学分析及谱分析等其他动力学分析的起点。模态分析从所采取的方法上可以分为：理论模态分析和实验模态分析，采取这两种方法都可以获得系统的模态参数。在结构动力学中，模态可以用来描述振动系统的特性，各阶固有频率、振型、模态刚度、模态质量和模态阻尼是表征振动系统的主要模态参数。模态分析就是建立用以上这些参数表示的振动系统的

59、运动方程并确定其模态参数的过程。模态是振动系统特性的一种表征，它是构成各种结构复杂振动的最简单或最基本的振动形态。它是系统动力分析的前提，模态分析所得的参数为进一步对振动系统进行动态设计和故障诊断提供有力的数据支持。一般来说，其意义表现在以下几个方面： 过模态分析可以进一步求得结构的瞬态响应分析； 固有频率可以通过模态分析获得，通过分析它，能够避免发生共振； 模态分析的结果可以用来验证有限元模型是否正确； 因为模态分析可以得出系统的固有频率，因此可以分析变形设计后系统的情况。ANSYS 提供了7种模态分析法：子空间法（subspace）、分块法（Block Lanczos）、缩减法（Reduc

60、ed/Household）、动态功率法（Power Dynamic）、非对称法（Unsymmetric）、阻尼法（Damp）、QR 阻尼法（QR Damp）。而多数模态分析选用子空间法、分块法、缩减法。 分块兰索斯法：该方法为默认提取方法，用于提取大模型的多阶模态，建议在模型中包含形状较差的实体和壳单元时采用此法，最适合于由壳和壳与实体组成的模型，速度快，但要求比子空间法内存多50%。 子空间法；用于提取大模型的少数阶模态，适合于较好的实体及壳单元组成的模型，可用内存有限时该法运行良好。 动态功率法：用于提取大模型的少数阶模态，适合于100K以上自由度模型的特征值快速求解，对于网格较粗的模型只

61、能得到频率近似值，复频情况时可能遗漏模态。 缩减法：用于提取小到中等模型的所有模态，选取合适的主自由度时可获得大型模的少数阶模态，此时频率计算的精度取决于主自由度的选取。（1）模态分析的基本原理在结构设计中，避免结构发生共振非常重要，具体的机械结构可以看作一个多自由度的振动系统，它具有多个固有频率。结构的模态就是指在自由振动时结构所具有的基本振动特性。特别的，结构的模态是结构的固有特性，与外载荷无关。结构动力学微分方程经过化简后都可以得到以下形式： （4.1）其中，节点载荷矩阵，系统刚度矩阵，阻尼矩阵，质量矩阵。若忽略阻尼的影响下，对于一个有n个自由度的线性振动系统，其振动的运动微分方程可以表

62、示： （4.2）由叠加原理，将方程的解设为简谐运动，即 （4.3）特别的当和都为正定矩阵时，将式（4.3）代入式（4.2）可以求出n个特征值和其对应的特征向量。它们可以满足方程 （4.4）所以对于一个结构的模态分析,其固有圆频率和振型都可以从上述矩阵方程中得到，方程（4.4）的根是，即特征值；i的取值范围从1到自由度的数目，相对应的向量为，即特征向量。特征值的平方根是，它是自然圆周率（弧度/秒），因此可得到其自然频率： （4.5）特征向量描述振型，即假定结构以频率振动时的形状。模态提取的只是用来表示特征值和特征向量计算的术语而已，但在有限元计算中，求解上述方程式是在一定的假设条件下求解的，即和 都是常量，且 假设材料都是线弹性材料； 使用小挠度理论，还不包含非线性特性； 由于不存在，因此不包含阻尼项； 由于不存在，因此假设结构无任何激励。 有限元模态分析，就是先得到结构的质量和刚度矩阵，在计算出其对应的特征向量及特征值13。 固有频率的特点 结构的固有频率都是正实数。 没有刚体振动的结构固有频率都大于零。有刚体运动的结构，其