某車型后橋齒輪噪聲優化

黎瑞平 汪輝 黃振之

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著人們對汽車的認識越來越深入，汽車噪聲尤其是傳動系統的噪聲越來越成為大家的關注點。后驅汽車傳動系統主要由離合器、變速箱、傳動軸、后橋組成，在動力傳遞過程中，齒輪是使用最普遍的零件。

汽車后橋主要由一對螺傘齒輪工作來實現降速增扭的目的。車輛在行駛過程中，齒輪受到來自于發動機及輪胎振動激勵和殼體、軸承及齒輪本身變形的影響，使得齒輪偏離最佳嚙合區域。嚙合的區域不合理會導致齒輪在轉動過程中不平穩，振動幅度加劇，產生令人難受的中高頻嘯叫噪聲。

齒輪副的嘯叫作為傳動系統噪聲的主要來源，部分學者和技術人員在降低齒輪嘯叫上進行了深入研究。錢汪燾分析了后橋噪聲的產生機理，并建立了后橋聲學仿真分析模型。羅文欣對傳動軸-后橋總成系統耦合振動特性進行了研究，并基于ADAMS建立了仿真分析模型。王炳善利用MASTA軟件分析殼體振動，通過優化齒輪重合度，成功降低了變速箱三擋齒輪嘯叫噪聲。徐海軍等使用MASTA軟件建立了傳動軸-后橋動態響應分析模型，根據仿真分析結果對齒輪參數進行了優化，達到了降低齒輪傳遞誤差和降低嘯叫噪聲的目的。

本文在徐海軍等人研究的基礎上，利用MASTA分析軟件搭建了完整的動力傳動系統動態響應分析模型。通過對殼體、軸承、齒輪、橫拉桿、傳動軸進行了設計優化，并制作樣件進行了實車測試，后橋噪聲得到明顯改善。

2 后橋噪聲傳遞路徑分析

整車動力由發動機經過離合器、變速箱、傳動軸傳遞給后橋，后橋齒輪在受載嚙合過程中，齒輪振動被放大。齒輪振動通過各連接部件傳遞給車身傳至車內，產生人耳能夠感知的嘯叫噪聲。傳遞路徑如圖1所示。

圖1 后橋噪聲傳遞路徑

通過優化后橋結構可減小激勵源振動幅值，優化傳動軸及懸掛部件結構可衰減激勵源向車身的傳遞，從而達到降低后橋噪聲的效果。

3 動力傳動系統響應分析

車輛動力傳動系統是一種多參數激勵、非線性的彈性系統。在MASTA中建立由發動機總成、離合器、變速器、傳動軸、后橋、懸掛系統及車輪組成的完整動力傳動系統分析模型，如圖2所示。

圖2 MASTA傳動系統分析模型

經計算，車輛在90～100km/h行駛時，對應發動機轉速為2850～3200rpm。MASTA分析模型相關輸入參數如表1所示。

表1 MASTA分析模型輸入參數

對模型按輸入參數進行加載分析，加速過程中，主齒軸承的在540Hz～640Hz出現振動位移響應峰值，如圖3所示。經計算，該頻率與整車在90～100km/h行駛時對應的齒輪噪聲頻率相吻合。

圖3 主齒軸承響應特性

在MASTA模型中設置不同的齒輪參數，主齒軸承的振動位移響應頻率一致。提取主齒軸承振動加速度，其幅值略有不同，因此主齒軸承振動加速度的幅值可用于表征齒輪噪聲大小。

通過不同的優化方案組合分析，總結出影響主齒軸承振動加速度幅值的主要因素為主減殼、差殼和軸承的支撐剛度不足，齒輪傳遞誤差設計過大，另外傳遞路徑上有共振現象存在也是比較重要的影響因素。

4 設計優化

4.1 殼體剛度優化

對主減速器殼體上的加強筋進行重新優化。將加強筋厚度由5mm調整為6mm，根據結構重新布置加強筋的方向，由水平橫向布置改為沿主齒中心輻射布置，并在水平方向增加一條加強筋。如圖4a-b所示。

圖4 主減速器殼體優化

利用ABAQUS軟件，對優化前后的殼體剛度進行CAE分析，如圖5a-b所示。兩個殼體優化前后徑向剛度詳細對比結果如表2所示。

表2 優化前后變形量對比 單位：N/mm

圖5 殼體剛度分析

4.2 軸承剛度優化

通過對軸承滾子、滾道及擋邊結構進行優化設計，提升軸承軸向及徑向剛度，優化前后徑向剛度如圖6所示。并加大軸承軸向預緊力，減小齒輪在運轉過程中的竄動量。

圖6 軸承徑向剛度優化前后對比

4.3 齒輪參數優化

通過調整齒輪相關參數，優化齒輪接觸區，減小齒輪傳遞誤差。優化后，齒輪接觸區面積相對優化之前增大40%，見圖7a-b。齒輪設計傳遞誤差降低50%，見圖8a-b。

圖7 優化前后齒輪接觸區

圖8 優化前后齒輪傳遞誤差

4.4 橫拉桿結構優化

利用ABAQUS軟件對橫拉桿進行模態分析，后橋橫拉桿Z方向的彎曲模態與后橋X方向的彎曲模態接近。兩者易發生共振，后橋齒輪噪聲將被放大后傳遞給車身，并通過車身將噪聲傳到車內。將橫拉桿橫截面由U型優化設計成O型，使得橫拉桿與后橋模態錯開，避免發生共振，優化前后模態分布如表3所示。

表3 優化前后模態分布對比 單位：N/mm

5 優化前后分析結果

利用建立的MASTA動力傳動系統分析模型對優化前后主齒軸承振動加速度幅值及齒輪傳遞誤差進行系統仿真分析。其中振動加速度峰值由168m/s降低至24 m/s，降幅85.7%，詳見圖12a-b；齒輪傳遞誤差由126μRad下降至74μRad，降幅41.3%，詳見圖13a-b。

6 實車測試

根據優化的結果，制作樣件進行實車測試。在整車后排布置聲學麥克風，利用LMS設備采集發動機轉速在1500～4000r/min全油門加速工況下的車內噪聲，通過Test.Lab軟件提取后橋齒輪階次噪聲。

測試結果表明，優化前整車在發動機轉速3120r/min時出現噪聲峰值，最大分貝值為67.64dB（A），超出目標線。優化后全轉速區間無噪聲峰值出現，整體噪聲全部低于目標線，達到了優化效果，如圖11a-b所示。

圖11 實車測試后橋齒輪階次噪聲

7 結語

本文在對后橋噪聲傳遞路徑的分析基礎上，建立了完整的動力傳動系統MASTA仿真分析模型?；诖罅康姆抡娣治鼋Y果，鎖定了影響后橋噪聲的幾個關鍵因素，通過對關鍵零部件的結構進行優化設計，后橋噪聲問題得到明顯改善，為相關NVH問題的解決提供參考。

圖9 優化前后主齒軸承振動加速度

圖10 優化前后系統傳遞誤差