驅(qū)動橋振動噪聲的仿真與試驗研究

尹華斌 陳作云

摘 要：預測驅(qū)動橋的振動和噪音，首先建造一個整體有限元模型的驅(qū)動橋，著重考慮雙曲面齒輪副接觸的設置和軸承的簡化，仿真得到橋殼表面的振動;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數(shù)據(jù)來預測輻射噪聲;最后對驅(qū)動橋的振動和噪聲進行試驗臺試驗。結(jié)論：基于有限元模型和驅(qū)動橋邊界模型可以預測振動噪聲。

關鍵詞：重車驅(qū)動橋;振動噪聲;振動位置

1 前言

驅(qū)動橋是汽車傳動系統(tǒng)振動噪聲的主要來源之一，一直是驅(qū)動橋開發(fā)和設計中要考慮的重要問題。因此，國內(nèi)外研究人員研究了驅(qū)動橋振動噪聲的產(chǎn)生機制和降噪技術。

2 驅(qū)動橋振動噪聲概述

2.1 驅(qū)動橋振動噪聲產(chǎn)生機理

驅(qū)動橋主、被動齒輪依靠輪齒共軛曲面間的相互作用來傳遞動力及改變動力傳遞方向，在這個過程中，當傳輸系統(tǒng)受到內(nèi)部和外部激勵的刺激時，就會產(chǎn)生振動和噪聲。驅(qū)動橋準雙曲面齒輪系統(tǒng)的內(nèi)部激勵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，一般分為齒輪時變嚙合剛度激勵、齒輪系統(tǒng)誤差激勵和齒輪嚙合沖擊激勵。外部激勵主要為發(fā)動機曲軸質(zhì)量偏心及傳動軸十字萬向節(jié)引起的驅(qū)動橋主動齒輪輸入轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速波動、路面阻力變化引起的負載波動等。內(nèi)外激勵的存在在嚙合過程中對齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生動態(tài)沖擊，不僅在驅(qū)動橋齒輪系統(tǒng)和驅(qū)動橋殼體中產(chǎn)生動態(tài)振動響應，而且在驅(qū)動橋中產(chǎn)生噪聲。

2.2 驅(qū)動橋振動噪聲傳遞路徑分析

驅(qū)動橋噪聲是通過驅(qū)動橋的機械結(jié)構過濾內(nèi)部齒輪得到的噪聲。換句話說，驅(qū)動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)動橋機構的頻率特性對驅(qū)動橋噪聲的影響巨大。

3 驅(qū)動橋總成有限元建模

3.1 網(wǎng)格劃分

Hypermesh軟件用于對驅(qū)動橋進行網(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)動橋齒輪、軸承等關鍵部件采用六面體元件，保證雅可比系數(shù)大于0.7;對于主減速器殼體等復雜部分件，為四面體單元。驅(qū)動橋裝配網(wǎng)格總量為70萬個，其中20萬個為準雙曲面齒輪網(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，導入ABAQUS軟件，定義材料性能、邊界條件、荷載、分析步驟等進行模擬分析。ABAQUS軟件在解決接觸和碰撞等非線性問題方面具有良好的收斂性。采用隱式動態(tài)分析步驟，對驅(qū)動橋在運行過程中的動態(tài)行為進行了仿真和分析。

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?？傻?，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。噪聲值可以在聲場的任何位置提取，并與測試值進行比較。橋后引擎蓋的振動最大。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最小。

4 驅(qū)動橋振動噪聲臺架試驗

4.1 試驗目的

在驅(qū)動橋上進行了試驗臺試驗，研究了不同工況下整個驅(qū)動橋的振動和噪聲特性。將計算結(jié)果與有限元和邊界有限元模擬結(jié)果進行比較，為改善驅(qū)動橋振動和噪聲提供參考。

4.2 傳感器布置

為了防止外部噪聲（特別是發(fā)動機噪聲）影響試驗結(jié)果，后橋噪聲試驗通常在暗室中進行。然而，由于試驗條件的限制，無法提供標準的消聲室。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?！跋暿摇钡乃虚_口均不受聚苯乙烯泡沫的影響，以防止噪聲泄漏。在測試前，三個電機在沒有后輪的情況下旋轉(zhuǎn)，以測試消聲空間內(nèi)外的聲壓。結(jié)果表明，這兩個值之間的差值約為8dB（A），可以認為暗室有效地隔離了外部噪聲。測試設備主要包括Burkee系統(tǒng)、聲振動信號采集LMS系統(tǒng)、霍爾速度傳感器、GRAS放大器和振動加速PCB傳感器。

4.3 試驗工況

所設計的驅(qū)動橋安裝在國產(chǎn)專用商用車上，并配備前后驅(qū)動裝置。發(fā)動機是一個四缸直列發(fā)動機。滿載質(zhì)量是45000KG;主減速器速比是4.625;車輪滾動半徑是540mm。

5 試驗與仿真結(jié)果

5.1 試驗結(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?？梢缘贸觯髽虻?階和18階振動噪聲較明顯。此外，在階次追蹤圖上還存在其它階次，可能與傳動軸的安裝誤差和電機激勵等因素有關。因為驅(qū)動橋噪聲主要來自于雙曲面齒輪的嚙合激勵，所以本文中只考慮齒輪激勵。根據(jù)試驗結(jié)果，橋殼表面振動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，說明驅(qū)動橋的有限元動態(tài)仿真結(jié)果可信。

5.2 仿真結(jié)果

對不同轉(zhuǎn)速下驅(qū)動橋發(fā)出的噪聲進行了仿真，并與試驗結(jié)果進行了比較?？梢钥闯觯M和測試的噪聲值隨著速度的增加而逐漸增加。當轉(zhuǎn)速低于800r/min時，仿真值低于試驗值，因為仿真時只考慮橋殼輻射噪聲，試驗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，聲場仿真模型符合試驗值的總體變化趨勢。若是考慮到測試誤差，可以認為基于有限元模型和邊界元模型的輻射噪聲場預測是準確的。

6 結(jié)束語

驅(qū)動橋噪聲是影響商用車性能的一個重要因素。驅(qū)動橋噪聲的優(yōu)缺點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)動橋頻率行為確定;主軸的嘯叫聲是由主軸結(jié)構共振引起的，主軸結(jié)構共振是由主變速箱的沖擊引起的。綜上所述，通過優(yōu)化主變速箱齒輪對齒面參數(shù)，降低沖擊和傳動誤差，有效降低驅(qū)動橋噪聲。

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