驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的仿真與試驗(yàn)研究

尹華斌 陳作云

摘 要：預(yù)測(cè)驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)和噪音，首先建造一個(gè)整體有限元模型的驅(qū)動(dòng)橋，著重考慮雙曲面齒輪副接觸的設(shè)置和軸承的簡(jiǎn)化，仿真得到橋殼表面的振動(dòng);再建立橋殼輻射噪聲的邊界元模型，利用仿真得到的橋殼振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)輻射噪聲;最后對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。結(jié)論：基于有限元模型和驅(qū)動(dòng)橋邊界模型可以預(yù)測(cè)振動(dòng)噪聲。

關(guān)鍵詞：重車驅(qū)動(dòng)橋;振動(dòng)噪聲;振動(dòng)位置

1 前言

驅(qū)動(dòng)橋是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一，一直是驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)和設(shè)計(jì)中要考慮的重要問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員研究了驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制和降噪技術(shù)。

2 驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲概述

2.1 驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

驅(qū)動(dòng)橋主、被動(dòng)齒輪依靠輪齒共軛曲面間的相互作用來(lái)傳遞動(dòng)力及改變動(dòng)力傳遞方向，在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)傳輸系統(tǒng)受到內(nèi)部和外部激勵(lì)的刺激時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。驅(qū)動(dòng)橋準(zhǔn)雙曲面齒輪系統(tǒng)的內(nèi)部激勵(lì)主要由嚙合齒嚙合間隙及嚙合齒相互嚙合狀態(tài)的變化、齒輪系統(tǒng)誤差及齒側(cè)間隙等因素引起，一般分為齒輪時(shí)變嚙合剛度激勵(lì)、齒輪系統(tǒng)誤差激勵(lì)和齒輪嚙合沖擊激勵(lì)。外部激勵(lì)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸質(zhì)量偏心及傳動(dòng)軸十字萬(wàn)向節(jié)引起的驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)齒輪輸入轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速波動(dòng)、路面阻力變化引起的負(fù)載波動(dòng)等。內(nèi)外激勵(lì)的存在在嚙合過(guò)程中對(duì)齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)沖擊，不僅在驅(qū)動(dòng)橋齒輪系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)橋殼體中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，而且在驅(qū)動(dòng)橋中產(chǎn)生噪聲。

2.2 驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲傳遞路徑分析

驅(qū)動(dòng)橋噪聲是通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋的機(jī)械結(jié)構(gòu)過(guò)濾內(nèi)部齒輪得到的噪聲。換句話說(shuō)，驅(qū)動(dòng)橋噪聲的光譜特征是由齒輪的沖擊和傳輸路徑?jīng)Q定的。因此，驅(qū)動(dòng)橋機(jī)構(gòu)的頻率特性對(duì)驅(qū)動(dòng)橋噪聲的影響巨大。

3 驅(qū)動(dòng)橋總成有限元建模

3.1 網(wǎng)格劃分

Hypermesh軟件用于對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分中，既要控制網(wǎng)格的質(zhì)量，又要控制網(wǎng)格的數(shù)量。驅(qū)動(dòng)橋齒輪、軸承等關(guān)鍵部件采用六面體元件，保證雅可比系數(shù)大于0.7;對(duì)于主減速器殼體等復(fù)雜部分件，為四面體單元。驅(qū)動(dòng)橋裝配網(wǎng)格總量為70萬(wàn)個(gè)，其中20萬(wàn)個(gè)為準(zhǔn)雙曲面齒輪網(wǎng)格。

3.2 有限元模型前處理與求解

將劃分后的網(wǎng)格保存為INP格式，導(dǎo)入ABAQUS軟件，定義材料性能、邊界條件、荷載、分析步驟等進(jìn)行模擬分析。ABAQUS軟件在解決接觸和碰撞等非線性問(wèn)題方面具有良好的收斂性。采用隱式動(dòng)態(tài)分析步驟，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了仿真和分析。

3.3 仿真結(jié)果分析

利用瞬態(tài)邊界元模塊仿真分析橋殼的輻射聲場(chǎng)。可得，噪聲從橋殼內(nèi)部向外輻射，橋殼后蓋位置最明顯;距離橋殼表面越近，噪聲越大。噪聲值可以在聲場(chǎng)的任何位置提取，并與測(cè)試值進(jìn)行比較。橋后引擎蓋的振動(dòng)最大。主變速箱小齒輪的外部位置;鋼板彈簧閥座的固定方式使振動(dòng)最小。

4 驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在驅(qū)動(dòng)橋上進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同工況下整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)和噪聲特性。將計(jì)算結(jié)果與有限元和邊界有限元模擬結(jié)果進(jìn)行比較，為改善驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)和噪聲提供參考。

4.2 傳感器布置

為了防止外部噪聲（特別是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲）影響試驗(yàn)結(jié)果，后橋噪聲試驗(yàn)通常在暗室中進(jìn)行。然而，由于試驗(yàn)條件的限制，無(wú)法提供標(biāo)準(zhǔn)的消聲室。本文中利用隔吸聲材料搭建“消聲室”，以隔絕外界噪聲。內(nèi)層是撞擊坑的海綿，吸收噪聲。“消聲室”的所有開口均不受聚苯乙烯泡沫的影響，以防止噪聲泄漏。在測(cè)試前，三個(gè)電機(jī)在沒(méi)有后輪的情況下旋轉(zhuǎn)，以測(cè)試消聲空間內(nèi)外的聲壓。結(jié)果表明，這兩個(gè)值之間的差值約為8dB（A），可以認(rèn)為暗室有效地隔離了外部噪聲。測(cè)試設(shè)備主要包括Burkee系統(tǒng)、聲振動(dòng)信號(hào)采集LMS系統(tǒng)、霍爾速度傳感器、GRAS放大器和振動(dòng)加速PCB傳感器。

4.3 試驗(yàn)工況

所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋安裝在國(guó)產(chǎn)專用商用車上，并配備前后驅(qū)動(dòng)裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)四缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)。滿載質(zhì)量是45000KG;主減速器速比是4.625;車輪滾動(dòng)半徑是540mm。

5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

本文中所研究的后橋主減速器小齒輪的齒數(shù)為9，小齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，產(chǎn)生9次嚙合沖擊，即后橋主減速器齒輪的齒頻為9階，2階齒頻為18階。可以得出，后橋的9階和18階振動(dòng)噪聲較明顯。此外，在階次追蹤圖上還存在其它階次，可能與傳動(dòng)軸的安裝誤差和電機(jī)激勵(lì)等因素有關(guān)。因?yàn)轵?qū)動(dòng)橋噪聲主要來(lái)自于雙曲面齒輪的嚙合激勵(lì)，所以本文中只考慮齒輪激勵(lì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，橋殼表面振動(dòng)幅值由大到小依次為橋殼后蓋、小齒輪外軸承、半軸軸承座和主減速器殼上方，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)橋的有限元?jiǎng)討B(tài)仿真結(jié)果可信。

5.2 仿真結(jié)果

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)橋發(fā)出的噪聲進(jìn)行了仿真，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。可以看出，模擬和測(cè)試的噪聲值隨著速度的增加而逐漸增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于800r/min時(shí)，仿真值低于試驗(yàn)值，因?yàn)榉抡鏁r(shí)只考慮橋殼輻射噪聲，試驗(yàn)值則包含了齒輪和軸承的空氣傳播噪聲和背景噪聲;它們的峰值噪聲都在1500r/min左右。綜上所述，聲場(chǎng)仿真模型符合試驗(yàn)值的總體變化趨勢(shì)。若是考慮到測(cè)試誤差，可以認(rèn)為基于有限元模型和邊界元模型的輻射噪聲場(chǎng)預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的。

6 結(jié)束語(yǔ)

驅(qū)動(dòng)橋噪聲是影響商用車性能的一個(gè)重要因素。驅(qū)動(dòng)橋噪聲的優(yōu)缺點(diǎn)主要在于其光譜特性，即音色。噪聲頻譜特征由主軸齒輪沖擊和驅(qū)動(dòng)橋頻率行為確定;主軸的嘯叫聲是由主軸結(jié)構(gòu)共振引起的，主軸結(jié)構(gòu)共振是由主變速箱的沖擊引起的。綜上所述，通過(guò)優(yōu)化主變速箱齒輪對(duì)齒面參數(shù)，降低沖擊和傳動(dòng)誤差，有效降低驅(qū)動(dòng)橋噪聲。

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