齒輪變速器箱體降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱華 陳安宇 范正偉

（蚌埠汽車士官學(xué)校裝備保障系安徽蚌埠233011）

齒輪變速器箱體降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱華 陳安宇 范正偉

（蚌埠汽車士官學(xué)校裝備保障系安徽蚌埠233011）

建立某型齒輪變速器箱體三維模型的基礎(chǔ)上，采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用直接邊界元方法建立了箱體的噪聲預(yù)測(cè)模型。將有限元計(jì)算得到的箱體表面振動(dòng)數(shù)據(jù)作為振動(dòng)計(jì)算的邊界條件，用直接邊界元法對(duì)噪聲聲壓進(jìn)行了計(jì)算，以邊界元計(jì)算的結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)變速器箱體進(jìn)行了降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。

變速器箱體噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

齒輪變速器的噪聲是汽車噪聲的主要噪聲源之一。箱體是整個(gè)變速器噪聲的最主要部件，占整機(jī)輻射噪聲的90%以上。準(zhǔn)確模擬變速箱的工況并研究箱體在激勵(lì)作用下的聲輻射，對(duì)實(shí)現(xiàn)降低汽車噪聲的目的具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

本文通過(guò)對(duì)齒輪變速器進(jìn)行實(shí)體建模，采用多體動(dòng)力學(xué)仿真的方法，對(duì)箱體所受到的激勵(lì)載荷進(jìn)行計(jì)算，分析預(yù)測(cè)了箱體的工作載荷，并在有限元模型中對(duì)箱體的響應(yīng)進(jìn)行分析，通過(guò)邊界元計(jì)算得到聲場(chǎng)的分布，對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行計(jì)算，與初始模型的噪聲進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到了明顯的降噪目的。該方法可以用于對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，也可以在設(shè)計(jì)的初期實(shí)時(shí)地進(jìn)行振動(dòng)噪聲預(yù)估。

1 變速箱體有限元模型

1.1 變速箱體三維模型

1）變速器動(dòng)力輸入軸齒輪齒數(shù)為15，分度圓直徑為82.5 mm；

2）中間軸兩端固定在殼體上的軸承孔內(nèi)，中間軸常嚙合傳動(dòng)齒輪，左端齒輪齒數(shù)為20，分度圓直徑為110 mm，右端齒輪齒數(shù)為15，分度圓直徑為82.5 mm；輸出軸齒輪齒數(shù)為21，分度圓直徑為115.5 mm；

3）殼體上主要有四個(gè)軸承孔以及殼體頂蓋。在不影響載荷分析結(jié)果的前提下，對(duì)變速器進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，采用Pro/E建立變速箱體的三維模型如圖1所示，變速箱裝配的三維模型如圖2所示。

圖1 變速器箱體三維模型

圖2 變速器裝配圖

1.2 變速箱體網(wǎng)格劃分

在Hypermesh軟件中對(duì)箱體三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，2D網(wǎng)格為trias三角形，單元尺寸最大允許設(shè)為5 mm，為了使其能準(zhǔn)確體現(xiàn)箱體的特征，在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，選擇手動(dòng)為每個(gè)面添加網(wǎng)格。

凸臺(tái)和加強(qiáng)筋是有限元網(wǎng)格劃分的重點(diǎn)，網(wǎng)格必須充分表現(xiàn)出這些部位的基本特征，為了更好地了解箱體各部位的振動(dòng)變形，使分析結(jié)果更為精確，手動(dòng)在凸臺(tái)、加強(qiáng)筋等處進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格細(xì)化到可以基本表現(xiàn)出箱體表面的真實(shí)情況。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示，包括節(jié)點(diǎn)4281個(gè)，有限元單元43348個(gè)。

圖3 變速器箱體的網(wǎng)格劃分

2 邊界元模型的建立及聲學(xué)仿真

2.1 邊界元模型的建立

一個(gè)完整的聲學(xué)模型應(yīng)包括影響該模型聲學(xué)特性的所有要素，如結(jié)構(gòu)的外表面特征，所受到的載荷，定義的場(chǎng)點(diǎn)等。對(duì)整個(gè)箱體模型進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)綜合考慮，本文采用矩形一次單元對(duì)箱體的邊界元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的單元大小小于30 mm。建立箱體的邊界元模型共有單元1976個(gè)，該模型可以達(dá)到進(jìn)行高頻聲學(xué)計(jì)算的要求。

這就是為什么本期寫《童年的色彩》的小作者漆依蕓說(shuō)她的童年有那么多種色彩、寫《玩具考古》的小作者呂兆恩有那么多“現(xiàn)代化”的玩具。小朋友們今天的幸福生活，跟小朋友們的爸爸媽媽小的時(shí)候相比，簡(jiǎn)直是有天壤之別，不信就看看本期的《童年的味道》和《遠(yuǎn)去的童年時(shí)光》吧。

2.2 噪聲分析場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格模型的建立

經(jīng)過(guò)邊界元計(jì)算可以得到箱體表面的聲壓，但該聲壓不能直接作為箱體振動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在SYSNOISE中，需要對(duì)箱體周圍建立一個(gè)網(wǎng)格模型，對(duì)變速器的噪聲進(jìn)行評(píng)估，取距離變速器半徑1 m處的點(diǎn)作為評(píng)價(jià)的采樣點(diǎn)。

2.3 邊界條件的確定

將ANSYS模型寫成SYSNOISE支持的fre格式，用命令流的方式將結(jié)果導(dǎo)入SYSNOISE中。在通過(guò)有限元方法計(jì)算得到箱體在載荷激勵(lì)作用下振動(dòng)響應(yīng)的前提下，利用SYSNOISE軟件，將有限元方法計(jì)算的頻域振動(dòng)數(shù)據(jù)作為邊界元計(jì)算中的邊界條件，將時(shí)域內(nèi)的信號(hào)通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)。

2.4 邊界元計(jì)算結(jié)果分析

箱體邊界元計(jì)算的主要結(jié)果是遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲壓級(jí)，從該聲壓級(jí)可以看出變速箱體輻射較強(qiáng)的部分，以此為依據(jù)，結(jié)合有限元的分析結(jié)果對(duì)箱體進(jìn)行改進(jìn)。

取距離變速器半徑1 m處的點(diǎn)作為評(píng)價(jià)的采樣點(diǎn)，圖4、圖5是變速器箱體1 m處表面聲場(chǎng)的分布圖。由圖可以得出：在同等條件下，若箱體表面較平滑，聲壓相對(duì)較大；若箱體表面有凸起等，聲壓會(huì)相對(duì)較小。箱體兩側(cè)面聲強(qiáng)相對(duì)較大，是由于齒輪軸徑向的激勵(lì)在箱體的兩側(cè)面表現(xiàn)得最為明顯，而箱體前端聲強(qiáng)相對(duì)較小，是因?yàn)榇颂幘嚯x激勵(lì)點(diǎn)較遠(yuǎn)，所受的影響比較小。實(shí)際仿真的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)和前面有限元分析一致，表明該仿真是真實(shí)可靠的。

圖4 580Hz表面聲壓分布情況

圖5 1380Hz表面聲壓分布情況

3 箱體低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

從前面的分析可以看出，該變速器箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上部材料較少，剛度較小。箱體的右側(cè)有較多的安裝孔，孔對(duì)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響比較大，導(dǎo)致剛度較小，容易導(dǎo)致箱體發(fā)生彎曲產(chǎn)生右部的擺動(dòng)。另外，由于箱體軸承處所受到的激勵(lì)較大，尤其是第二軸的軸承處承受的載荷很大，而箱體的厚度又相對(duì)較薄，導(dǎo)致該位置的變形較大，在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生很大的噪聲。在輸出軸處，由于輸出軸的載荷最大，因此齒輪箱體的輸出軸部位需要加強(qiáng)。

為了提高原箱體的整體剛度，需要在滿足箱體強(qiáng)度的前提下，對(duì)部分加強(qiáng)筋進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)需要加強(qiáng)的部位進(jìn)行加固?？紤]到箱體的扭轉(zhuǎn)和彎曲，將箱體進(jìn)行如下改進(jìn)：

1）在箱體的A處設(shè)置加強(qiáng)筋。

2）在箱體內(nèi)壁B處加厚內(nèi)壁，在齒輪軸內(nèi)壁C、D處增設(shè)加強(qiáng)筋，以增大箱體的剛度。

3）在箱蓋接口E處設(shè)加強(qiáng)筋，對(duì)F處設(shè)加強(qiáng)筋，兩邊各三個(gè)。如圖6所示。

圖6 變速器箱體加強(qiáng)部位示意圖

由于箱體橫向的振動(dòng)幅度比較大，使得箱體左右兩側(cè)產(chǎn)生較大的噪音。因此，針對(duì)兩側(cè)剛度較差的問(wèn)題，在箱體中間A處加一道長(zhǎng)加強(qiáng)筋，環(huán)繞箱體一周，這樣使得橫向和縱向加強(qiáng)筋相互交叉，加固效果更為明顯。由于B處是齒輪的著力點(diǎn)，且此處受力面積小，壓力大，導(dǎo)致該處振動(dòng)強(qiáng)烈。因此，在B處加大壁厚，使得整體剛度得以提高，限制其在齒輪徑向的振動(dòng)。

在箱體的變截面處，由于受力方向不同，往往會(huì)導(dǎo)致該處應(yīng)力集中和振動(dòng)較大。因此，分別在底部和頂部設(shè)置加強(qiáng)筋，以提高相交面的剛度。

箱蓋接口E處的振動(dòng)較強(qiáng)，因此在E處設(shè)置一個(gè)過(guò)渡，以加強(qiáng)此處的剛度。將箱體改進(jìn)之后，箱體的重量基本無(wú)變化，且對(duì)附件的安裝不會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)改進(jìn)后的箱體進(jìn)行模態(tài)分析，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改進(jìn)前后固有頻率對(duì)比Hz

由表1可以看出，箱體改進(jìn)后，其剛度明顯增強(qiáng)，各階固有頻率均有提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在建立變速器箱體三維模型、有限元模型、邊界元模型的基礎(chǔ)上，將多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的激勵(lì)載荷作為激勵(lì)，對(duì)變速器箱體進(jìn)行有限元計(jì)算。將有限元計(jì)算的結(jié)果作為邊界條件，用直接邊界元法進(jìn)行計(jì)算，得到箱體所存在的薄弱的部位以及振動(dòng)噪聲較強(qiáng)的位置，進(jìn)而對(duì)箱體進(jìn)行了強(qiáng)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

應(yīng)用Pro/E、ADAMS、ANSYS、SYSNOISE等軟件，將模態(tài)分析、多體動(dòng)力學(xué)、有限元和邊界元的計(jì)算方法有機(jī)地結(jié)合在一起，提出了一種高效，又能滿足一定精度的噪聲預(yù)測(cè)方法，對(duì)箱體噪聲的控制和預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。將該方法應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，將大大降低成本，提高設(shè)計(jì)效率。

1李友真，李彥保，于柱春，等.基于邊界元法的某客車變速器箱體噪聲分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51（9）：52～55

2張斌，褚超美，繆國(guó)，等.汽車變速器箱體精準(zhǔn)性優(yōu)化仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（8）：331～335

3閔海濤，高娟，馬天飛.汽車變速器箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（20）：2514～2519

4李潔，阮軍.變速器箱體網(wǎng)格劃分策略的研究[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（3）：83～86

5彭友余，魏來(lái)生.某變速器箱體的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007（1）：8～10

6楊洪波，林輝.變速器箱體機(jī)械加工工藝過(guò)程的改進(jìn)[J]. 2002，33（8）：47～48

The Optimization Design of Noise Reduction of Gearbox Housing

Zhu Hua，Chen Anyu，F(xiàn)an Zhengwei
Equipment Support Department，Bengbu Automobile NCO Academy（Bengbu，Anhui，233011，China）

On the basis of three-dimension solid model of gearbox，grid partition is done by using Hypermesh，noise prediction models are built by direct boundary element method，the results of tank surface vibration by finite element method are used as boundary conditions，and sound pressure was calculated by direct boundary element method.Based on the calculated results，the optimization design of noise reduction of the gearbox was carried on.

Gearbox housing，Noise，Optimal design

TK413.47

A

2095-8234（2014）05-0066-03

2014-06-25）

朱華（1977-），男，碩士，工程師，主要從事車輛性能優(yōu)化、車輛試驗(yàn)技術(shù)及裝備等方面的研究。