驅(qū)動(dòng)橋嘯叫試驗(yàn)與降噪措施研究

劉國(guó)政 史文庫 陳志勇

(1.上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

驅(qū)動(dòng)橋是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是整車振動(dòng)噪聲的主要貢獻(xiàn)者。尤其對(duì)于當(dāng)下比較流行的電動(dòng)車，由于發(fā)動(dòng)機(jī)“掩蔽作用”的消失，后橋噪聲尤為明顯[1-2]。驅(qū)動(dòng)橋噪聲主要為嘯叫和敲擊噪聲[3]，嘯叫噪聲最普遍，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)驅(qū)動(dòng)橋嘯叫進(jìn)行過研究。

孟慶華等[4]利用逆序法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，認(rèn)為驅(qū)動(dòng)橋噪聲的根源是主減速器螺旋錐齒輪的嚙合沖擊力引起的。郭年程等[5]通過試驗(yàn)和有限元分析的方法，對(duì)某中型客車的驅(qū)動(dòng)器橋噪聲進(jìn)行分析，并采用動(dòng)力吸振器和橋殼改進(jìn)等方法降低驅(qū)動(dòng)橋噪聲。盧雷[6]對(duì)某國(guó)產(chǎn)車高速滑行時(shí)后橋嘯叫進(jìn)行研究，用有限元方法研究了準(zhǔn)雙曲面齒輪的動(dòng)態(tài)嚙合特性，并分析了壓力角分配和偏置距等因素對(duì)噪聲的影響。李專[7]利用有限元和邊界元分析后橋噪聲，通過在橋殼表面加筋等方法來降低驅(qū)動(dòng)橋噪聲。對(duì)于齒輪嘯叫，國(guó)外大多從傳動(dòng)誤差方面入手，通過降低傳動(dòng)誤差來減小齒輪的嘯叫噪聲[8-10]。2012年，Choi B-J[11-12]等從準(zhǔn)雙曲面齒輪嚙合激勵(lì)源出發(fā)，分析了驅(qū)動(dòng)橋噪聲的影響因素，還對(duì)準(zhǔn)雙曲面輪的齒形狀進(jìn)行優(yōu)化，并且研究了溫度對(duì)傳動(dòng)誤差的影響。Koronias等[13]人研究輕型卡車的后橋嘯叫問題，建立包含鋼板彈簧、傳動(dòng)軸等部件的驅(qū)動(dòng)橋多體動(dòng)力學(xué)模型，研究油溫等因素對(duì)嘯叫的影響。

本文以某國(guó)產(chǎn)皮卡車驅(qū)動(dòng)橋嘯叫為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行整車試驗(yàn)和模態(tài)試驗(yàn)，通過主觀感覺和客觀數(shù)據(jù)分析后橋嘯叫的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施；最后利用有限元和邊界元方法驗(yàn)證改進(jìn)后的效果。

1 驅(qū)動(dòng)橋嘯叫整車試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

本文所研究的對(duì)象為某國(guó)產(chǎn)皮卡車，該車采用前置后驅(qū)的動(dòng)力系統(tǒng)布置方案。對(duì)驅(qū)動(dòng)橋嘯叫進(jìn)行整車試驗(yàn)，分析后橋嘯叫原因，以便于后期的改進(jìn)。試驗(yàn)儀器主要有LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲學(xué)麥克、振動(dòng)加速度傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等等。傳感器的類型和布置位置如表1所示。

表1 傳感器安裝位置

圖1是部分傳感器的布置圖，車內(nèi)麥克布置位置參考GB/T 18697[14]，轉(zhuǎn)速傳感器布置在后橋輸入軸位置，采集輸入軸的轉(zhuǎn)速。測(cè)試場(chǎng)地為廣德試驗(yàn)場(chǎng)的B級(jí)路面，測(cè)試工況為加速、勻速和滑行工況。

(a)驅(qū)動(dòng)橋 (b)駕駛員耳旁 (c)座椅導(dǎo)軌

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)試時(shí)駕駛員和乘員的主觀評(píng)價(jià)，汽車在四擋90 km/h(后橋輸入轉(zhuǎn)速2 700 r/min)時(shí)存在后橋嘯叫噪聲；并且滑行工況時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲比加速時(shí)小，發(fā)動(dòng)機(jī)的“掩蔽效應(yīng)”較弱，導(dǎo)致車內(nèi)的后橋噪聲十分明顯。

圖2是四擋(直接擋)加速工況車內(nèi)噪聲的階次追蹤圖，以驅(qū)動(dòng)橋的輸入軸轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)2階、4階和6階噪聲最明顯。后橋主減速器傳動(dòng)比為41/9(大齒輪41個(gè)齒，小齒輪9個(gè)齒)，小齒輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，主減速器齒輪就會(huì)產(chǎn)生9次嚙合沖擊，因此9階噪聲是后橋主減速器齒輪的齒頻。

圖2 駕駛員右耳噪聲階次追蹤圖

如圖3所示，對(duì)車內(nèi)噪聲按階次進(jìn)行切片，從圖中可以看出車內(nèi)總噪聲隨轉(zhuǎn)速逐漸增加；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min以內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)4階噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量最大，轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min后，發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲貢獻(xiàn)量最大?？傮w來說，后橋9階噪聲不大，但是在2 700 r/min附近，9階噪聲幅值突然增大，和總噪聲的聲壓級(jí)之差小于6 dB(A)，在車內(nèi)(尤其是后排乘員位置)會(huì)聽到明顯的齒輪嘯叫。其他轉(zhuǎn)速時(shí)，齒頻階次噪聲和總噪聲的差值大于10 dB(A)，在車內(nèi)聽不到后橋噪聲。

圖3 駕駛員右耳噪聲階次切片圖

圖4是橋殼后蓋振動(dòng)的階次追蹤圖，在395 Hz存在明顯的共振帶，齒輪的9階激勵(lì)在2 700 r/min與共振帶相交，導(dǎo)致橋殼發(fā)生共振，后橋噪聲增大，在車內(nèi)聽到驅(qū)動(dòng)橋嘯叫。

圖4 橋殼后蓋振動(dòng)的階次追蹤圖

2 驅(qū)動(dòng)橋總成模態(tài)分析

為了確定驅(qū)動(dòng)橋嘯叫的模態(tài)頻率，建立驅(qū)動(dòng)橋總成的有限元模型，對(duì)其模態(tài)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。

2.1 有限元分析

如圖5所示，利用Hypermesh軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋總成劃分網(wǎng)格，建立驅(qū)動(dòng)橋總成的有限元模型，利用ABAQUS軟件的Lanczos算法求解驅(qū)動(dòng)橋的模態(tài)。

圖5 驅(qū)動(dòng)橋總成有限元模型

2.2 模態(tài)試驗(yàn)

圖6是驅(qū)動(dòng)橋的模態(tài)試驗(yàn)，采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCB加速度傳感器和PCB力錘。驅(qū)動(dòng)橋采用自由懸掛方式，用串聯(lián)彈簧的尼龍繩懸吊，使其自由模態(tài)與系統(tǒng)的剛體模態(tài)充分分離，保證兩者相差10倍以上。用力錘激勵(lì)，采用一點(diǎn)激振多點(diǎn)采集的方式。在驅(qū)動(dòng)橋上布置的拾振點(diǎn)數(shù)為43點(diǎn)，每點(diǎn)布置一個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器，共需要通道數(shù)為129，LMS測(cè)試前端的通道數(shù)量為72個(gè)，因此需要分兩次布點(diǎn)和測(cè)量。正式采集數(shù)據(jù)之前，要對(duì)激振點(diǎn)進(jìn)行互易性檢驗(yàn)以判斷是否符合線性要求，頻率響應(yīng)函數(shù)FRF峰值誤差通常應(yīng)小于5%。

圖6 后橋模態(tài)試驗(yàn)

表2是驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)測(cè)試和仿真結(jié)果，兩者的誤差在8%以內(nèi)，基本滿足工程實(shí)際需要，可以認(rèn)為有限元模型是正確的。驅(qū)動(dòng)橋第五階模態(tài)頻率為400 Hz左右，和驅(qū)動(dòng)橋在2 700 r/min的共振頻率一致，說明后橋嘯叫是由齒輪嚙合激勵(lì)激發(fā)后橋此階模態(tài)共振引起的。

表2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)對(duì)比

3 后橋嘯叫的改進(jìn)方案

3.1 后橋嘯叫機(jī)理

后橋噪聲主要分為兩種：空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲。空氣傳聲指的是齒輪的嚙合噪聲直接通過空氣傳到車內(nèi)；結(jié)構(gòu)傳聲是指齒輪的嚙合沖擊力通過軸承傳給驅(qū)動(dòng)橋殼體，引起殼體振動(dòng)，從而向外界輻射噪聲。因?yàn)轵?qū)動(dòng)橋齒輪被金屬的驅(qū)動(dòng)橋殼完全包裹住，齒輪嚙合噪聲很難直接傳到外界，驅(qū)動(dòng)橋噪聲主要是結(jié)構(gòu)傳聲[15]。

從整車試驗(yàn)已知，驅(qū)動(dòng)橋在90 km/h(后橋輸入轉(zhuǎn)速2 700 r/min)附近存在嘯叫，是由后橋主減速器齒頻激勵(lì)引起后橋第五階模態(tài)導(dǎo)致的。

可以從以下幾個(gè)方面解決：(1)減小后橋主減速器齒輪的嚙合激勵(lì)，從根源上降低驅(qū)動(dòng)橋的噪聲。但是由于后橋準(zhǔn)雙曲面齒輪加工工藝復(fù)雜，其本身可提高的空間較小。(2)降低驅(qū)動(dòng)橋殼體的振動(dòng)響應(yīng)，在不改變激勵(lì)源大小的前提下降低響應(yīng)值。(3)通過聲學(xué)包裝提高車的密閉性，在聲音的傳遞路徑上降低噪聲，但是會(huì)增加成本。

3.2 改進(jìn)方案

為了便于實(shí)施，通過改進(jìn)橋殼的結(jié)構(gòu)，降低橋殼的振動(dòng)響應(yīng)。

從表2可以看出，400 Hz問題模態(tài)振型表現(xiàn)為主減速器殼體在水平面內(nèi)左右擺動(dòng)，因此，可以加強(qiáng)橋殼與主減殼的連接位置的強(qiáng)度，提高此階模態(tài)，從而避免橋殼共振。當(dāng)汽車四擋行駛時(shí)，常用的車速范圍是40 km/h～98 km/h，車速為98 km/h時(shí)后橋輸入轉(zhuǎn)速為2 940 r/min，此轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的主減速器齒輪嚙合頻率為：2 940÷60×9=441(Hz)，因此需要將原400 Hz的模態(tài)頻率提高到441 Hz以上才能避免在常用工況出現(xiàn)共振。

文中研究的驅(qū)動(dòng)橋?yàn)殇摪鍥_壓焊接結(jié)構(gòu)，橋殼由兩塊沖壓后的鋼板焊接而成。如圖7(a)所示，原結(jié)構(gòu)橋殼與主減殼的連接位置為焊接在橋殼上的環(huán)形加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的厚度遠(yuǎn)大于橋殼厚度。為了提高主減殼與橋殼連接位置的強(qiáng)度，考慮將此結(jié)構(gòu)改為向兩側(cè)延伸的形狀，即7(b)所示的結(jié)構(gòu)。利用ABAQUS軟件對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，模態(tài)頻率提高為484.67 Hz。

(a)原結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)

3.3 方案驗(yàn)證

基于驅(qū)動(dòng)橋總成的有限元模型，利用ABAQUS軟件的動(dòng)態(tài)隱式(Dynamic，implicit)分析步[16]仿真分析驅(qū)動(dòng)橋的動(dòng)態(tài)特性，在小齒輪軸施加轉(zhuǎn)速，在半軸兩側(cè)施加力矩，模擬后橋真實(shí)工況。如圖8所示，仿真得到橋殼表面的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

圖8 橋殼表面振動(dòng)加速度云圖

將橋殼表面的振動(dòng)數(shù)據(jù)其導(dǎo)入到LMS.Virtual.Lad軟件中，利用邊界元模塊仿真計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋的輻射聲場(chǎng)。如圖9所示，參考QC/T 533-1999[17]，提取驅(qū)動(dòng)橋雙曲面齒輪嚙合位置上方300 mm位置的噪聲數(shù)據(jù)。

圖9 橋殼輻射噪聲場(chǎng)

根據(jù)邊界元模型的噪聲仿真結(jié)果，改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)橋噪聲在90km/h附近的噪聲明顯降低，比原結(jié)構(gòu)降低了大約4 dB(A)。

4 結(jié)論

(1)驅(qū)動(dòng)橋嘯叫是由主減速器齒輪嚙合激勵(lì)引起，后橋噪聲階次與主減速器小齒輪的齒數(shù)有關(guān)。

(2)當(dāng)齒輪的嚙合激勵(lì)與驅(qū)動(dòng)橋的固有頻率重疊時(shí)，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)橋共振，導(dǎo)致后橋嘯叫。

(3)通過橋殼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得共振頻率遠(yuǎn)離常用工況，可以抑制驅(qū)動(dòng)橋嘯叫；如果從根源上解決驅(qū)動(dòng)橋的嘯叫，需要降低主減速器齒輪的嚙合激勵(lì)。

(4)改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)，后續(xù)還需試制樣件，并且在整車上進(jìn)行驗(yàn)證嘯叫的影響。