024-汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲源分析與控制

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲源分析與控制郭年程中國(guó)重型汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)發(fā)展中心摘要利用LMS聲振測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)某驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行傳動(dòng)系臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試并分析振動(dòng)噪聲異常的原因，通過(guò)逆向方法建立橋殼的三維數(shù)字化模型并做有限元模態(tài)分析。針對(duì)雙曲面齒輪對(duì)沖擊過(guò)大、橋殼整體彎曲共振和橋殼后蓋局部共振等問(wèn)題提出改進(jìn)措施，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)加以驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)噪聲降低明顯，改進(jìn)措施切實(shí)有效。關(guān)鍵詞驅(qū)動(dòng)橋；振動(dòng)噪聲；試驗(yàn)測(cè)試；模態(tài)分析中圖分類(lèi)號(hào)U463.2引言驅(qū)動(dòng)橋是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，也是汽車(chē)振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一，對(duì)于評(píng)價(jià)汽車(chē)的舒適性起著至關(guān)重要的作用[1]。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器大多選用準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)制造難度大[2]，精度不好控制，而其振動(dòng)和噪聲的根源便是主減速齒輪對(duì)的嚙合沖擊，并且在總成裝配的過(guò)程中存在很多人為因素，導(dǎo)致裝配精度不夠高，使其振動(dòng)噪聲大[3]。因此，控制驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲水平就成為整車(chē)減振降噪的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從聲學(xué)系統(tǒng)角度分析，由于結(jié)構(gòu)噪聲來(lái)源于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，故控制噪聲的根本在于控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，迄今國(guó)內(nèi)外大部分工作也都是圍繞這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的[4]。在驅(qū)動(dòng)橋減振降噪方面，最積極最有效的控制辦法是通過(guò)改善驅(qū)動(dòng)橋本身的結(jié)構(gòu)、材料和參數(shù)等等來(lái)設(shè)法降低噪聲源的本體噪聲。本文在整車(chē)噪聲測(cè)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋噪聲異常突出，故把驅(qū)動(dòng)橋單獨(dú)分析。通過(guò)此驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)系臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)定多種工況的振動(dòng)噪聲水平，繼而分析振動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元方法，尋找振動(dòng)噪聲異常的原因，提出改進(jìn)措施，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。本文的分析及改進(jìn)方法可為其它驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲控制提供參考。1臺(tái)架試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)橋的臺(tái)架試驗(yàn)在汽車(chē)電控動(dòng)力傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，并對(duì)其周?chē)h(huán)境進(jìn)行隔音，保證本底噪聲比驅(qū)動(dòng)橋檢測(cè)噪聲低10dB以上。試驗(yàn)所用測(cè)量?jī)x器為L(zhǎng)MS公司聲振測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，軟件為T(mén)est.Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件。測(cè)量聲壓所用的傳聲器根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T533-1999規(guī)定，放置在驅(qū)動(dòng)橋主減速器上方300mm處[5]。因?yàn)榘寤勺幨侵苯酉蜍?chē)內(nèi)傳遞振動(dòng)的位置，為了同步研究驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)問(wèn)題，在左側(cè)板簧座位置布置加速度傳感器。在驅(qū)動(dòng)橋輸入端布置轉(zhuǎn)速傳感器。圖1LMS振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)對(duì)此驅(qū)動(dòng)橋做了多種模擬實(shí)車(chē)運(yùn)行工況的試驗(yàn)，包括勻速工況、勻加速工況和反拖工況等。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，主要發(fā)現(xiàn)齒輪沖擊大、橋殼整體彎曲共振、橋殼后蓋局部共振等三個(gè)問(wèn)題，繼而分別針對(duì)三個(gè)問(wèn)題制定改進(jìn)措施，并加以驗(yàn)證。2齒輪沖擊問(wèn)題2.1問(wèn)題分析圖2為驅(qū)動(dòng)橋勻加速工況加速度傳感器的階次跟蹤圖，勻加速試驗(yàn)?zāi)M車(chē)速?gòu)?0km/h勻加速到120km/h的實(shí)車(chē)工況。圖2勻加速工況加速度傳感器階次跟蹤分析從圖中可以看出，11階振動(dòng)異常突出，此驅(qū)動(dòng)橋主減速器主動(dòng)齒輪為11齒，說(shuō)明主、被動(dòng)齒輪嚙合沖擊過(guò)大。2.2改進(jìn)措施此驅(qū)動(dòng)橋的主、被動(dòng)齒輪的表面硬度技術(shù)要求都是61±2HRC，表面硬度較高，且兩齒輪硬度相同。齒輪有硬齒面和軟齒面之分，同樣材料和精度的硬齒面齒輪的振動(dòng)噪聲要比軟齒面齒輪的高很多[6]，但齒面硬度又是影響齒輪使用壽命的主要因素[7]，故表面硬度不能太低。此驅(qū)動(dòng)橋主、被動(dòng)齒輪的硬度相同，但被動(dòng)齒輪齒數(shù)多，在使用過(guò)程中比主動(dòng)齒輪磨損的要輕，故最合理的取值應(yīng)是被動(dòng)齒輪的硬度比主動(dòng)齒輪稍低，這樣齒輪對(duì)振動(dòng)和沖擊的衰減吸收能力將會(huì)提高，并且也保證了主、被動(dòng)齒輪的磨損程度基本一致，不會(huì)影響主減速器的使用壽命。在主動(dòng)齒輪表面硬度不變的前提下，把被動(dòng)齒輪的表面硬度適當(dāng)降低，使之稍低于主動(dòng)齒輪的硬度，由61±2HRC改為59±2HRC，能降低驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)和噪聲水平。2.3齒輪壽命分析降低被動(dòng)大齒輪的表面硬度到底會(huì)不會(huì)降低齒輪的壽命？對(duì)于閉式傳動(dòng)的齒輪副來(lái)說(shuō)，其主要的失效形式為齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕，齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力為：σHP=σHlimZN（1）式中：σHP為接觸疲勞許用應(yīng)力；σHlim為試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，是指某種材料的齒輪經(jīng)長(zhǎng)期持續(xù)的重復(fù)載荷作用（對(duì)大多數(shù)材料其應(yīng)力循環(huán)數(shù)為5×107）后，齒面不出現(xiàn)進(jìn)展性點(diǎn)蝕時(shí)的極限應(yīng)力；ZN為接觸強(qiáng)度計(jì)算壽命系數(shù)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋齒輪按車(chē)輛里程至少十萬(wàn)公里計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL選取范圍5×107＜NL≤1010時(shí)，對(duì)于滲碳淬火鋼不允許點(diǎn)蝕，則ZN=（2）由GB/T8539-2000《齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定》查取齒輪疲勞極限圖如圖3所示。圖3滲碳淬火齒輪的疲勞極限圖圖中齒輪的疲勞極限值對(duì)滲碳齒輪適用于有效硬化層深度δ≥0.15mn[8]，式中試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)橋主減速器齒輪的法向模數(shù)mn=5.217，故δ須大于0.78。而實(shí)際齒輪滲碳淬火有效硬化層深度為0.8～1.2，滿(mǎn)足條件。根據(jù)GB/T8539-2000中材料質(zhì)量等級(jí)ML、MQ、ME的區(qū)別，選取MQ線為試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)橋主減速齒輪的取值線。則：σHlim=1500N/mm2（3）綜合分析式（1）（2）（3）和圖3可知，研究對(duì)象齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力在齒面硬度57HRC-63HRC的范圍內(nèi)不受齒面硬度的影響，因此把試驗(yàn)對(duì)象驅(qū)動(dòng)橋的主減速器被動(dòng)大齒輪的齒面硬度由61±2HRC改為59±2HRC不會(huì)降低其壽命。3橋殼彎曲共振問(wèn)題3.1問(wèn)題發(fā)現(xiàn)圖4為模擬掛擋反拖工況傳聲器在輸入轉(zhuǎn)速700r/min-2000r/min段內(nèi)的聲壓級(jí)曲線，發(fā)現(xiàn)在輸入轉(zhuǎn)速1066r/min左右時(shí)噪聲突然增大。圖4反拖工況傳聲器聲壓曲線汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋最主要的振動(dòng)噪聲來(lái)源為主減速器齒輪對(duì)的嚙合沖擊，此振動(dòng)沖擊通過(guò)軸承傳遞到橋殼上，引起橋殼的振動(dòng)，從而形成聲輻射。輸入轉(zhuǎn)速1066r/min時(shí)主齒嚙合頻率為196Hz。對(duì)1066r/min處做頻域分析可以發(fā)現(xiàn)，199HZ處的幅值明顯最大，1066r/min時(shí)的噪聲根源便是此頻率，此頻率與齒頻非常接近，推測(cè)此頻率是橋殼的某一階固有頻率，1066r/min處的異常噪聲是由于此轉(zhuǎn)速的齒頻剛好與此固有頻率一致導(dǎo)致橋殼共振。圖5反拖工況輸入轉(zhuǎn)速1066r/min處傳聲器頻域分析3.2驅(qū)動(dòng)橋殼模態(tài)分析為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋殼共振的推測(cè)，建立驅(qū)動(dòng)橋殼總成（包括半軸套管、主減速器殼和驅(qū)動(dòng)橋殼蓋）的三維模型，因?yàn)橛邢拊ㄊ乔蠼鈴?fù)雜結(jié)構(gòu)特征值問(wèn)題的有效方法[9]，故用有限元方法對(duì)此驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，求解橋殼的前30階固有頻率和振型。驅(qū)動(dòng)橋殼形狀非常不規(guī)則，通過(guò)常規(guī)方法很難繪制三維模型，故應(yīng)用逆向工程方法建立此橋殼的三維數(shù)字模型。通過(guò)三維立體成像技術(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼各部件進(jìn)行掃描，基于反求理論，在CATIA中建立驅(qū)動(dòng)橋各零部件的三維數(shù)字化模型，并按照?qǐng)D紙工藝要求進(jìn)行裝配，得到驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型。把CATIA中建立的驅(qū)動(dòng)橋殼三維幾何模型導(dǎo)入CAE軟件中，并進(jìn)行適度幾何清理。繼而對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼各部件分別劃分網(wǎng)格，建立有限元模型。在驅(qū)動(dòng)橋有限元模型建立的過(guò)程中，要保證網(wǎng)格的雅可比等性能參數(shù)不能過(guò)低，否則將影響計(jì)算精度甚至?xí)?dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂。建立好的驅(qū)動(dòng)橋有限元模型如圖6所示。此模型包括主減速器殼、驅(qū)動(dòng)橋殼蓋和兩個(gè)半軸套管等4個(gè)部件，共有108188個(gè)節(jié)點(diǎn)和239205個(gè)單元。圖6驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)通過(guò)有限元軟件計(jì)算求得。把建立好的有限元模型導(dǎo)入有限元軟件中，并對(duì)模型進(jìn)行材料屬性定義、約束條件添加等工作。材料參數(shù)按照表1定義。表1材料參數(shù)表部件名稱(chēng)彈性模量/MPa泊松比密度/t·mm-1主減速器殼1.73E+050.37.55E-09驅(qū)動(dòng)橋殼蓋2.06E+050.37.90E-09半軸套管2.06E+050.37.90E-09計(jì)算出驅(qū)動(dòng)橋的前30階模態(tài)，限于篇幅，這里只列出驅(qū)動(dòng)橋殼的前3階模態(tài)頻率和振型。表2驅(qū)動(dòng)橋殼模態(tài)計(jì)算結(jié)果序號(hào)頻率/Hz陣型1（圖7）195.30驅(qū)動(dòng)橋殼一階彎曲2（圖8）403.83驅(qū)動(dòng)橋殼二階彎曲3（圖9）736.23驅(qū)動(dòng)橋殼三階彎曲圖7驅(qū)動(dòng)橋殼一階彎曲圖8驅(qū)動(dòng)橋殼二階彎曲圖9驅(qū)動(dòng)橋殼三階彎曲從驅(qū)動(dòng)橋殼總成的模態(tài)計(jì)算結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)橋殼總成的一階彎曲固有頻率為195.30Hz，而驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系臺(tái)架試驗(yàn)中的模擬掛擋反拖工況1066r/min處的異常噪聲根源頻率為199Hz，與195.30Hz非常接近，由此可判斷，驅(qū)動(dòng)橋在1066r/min處的異常噪聲是由于此轉(zhuǎn)速的齒頻剛好和此固有頻率一致導(dǎo)致橋殼一階彎曲共振。3.3改進(jìn)措施可以在驅(qū)動(dòng)橋上加裝動(dòng)力吸振器[10]以降低此頻率下驅(qū)動(dòng)橋殼的振動(dòng)幅值，動(dòng)力吸振器的固有頻率即設(shè)計(jì)為針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的199Hz。動(dòng)力吸振器安裝在主減速器殼上，不會(huì)影響車(chē)輛的通過(guò)性。動(dòng)力吸振器實(shí)物照片如圖10所示。圖10動(dòng)力吸振器此動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)為最佳調(diào)諧式[11]，動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)質(zhì)量為3kg，橡膠設(shè)計(jì)剛度4593.529N/mm，最佳阻尼比為0.084，常用橡膠材料的阻尼比約為0.05-0.12，此動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)的最佳阻尼比在此范圍內(nèi)，符合實(shí)際。4橋殼后蓋共振問(wèn)題在LMSTest.Lab軟件中對(duì)勻加速工況的噪聲進(jìn)行階次跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)1050Hz-1170Hz頻率內(nèi)的噪聲幅值明顯高于其它頻率處。圖11勻加速工況傳聲器階次跟蹤分析橋殼后蓋厚度只有2mm，為驅(qū)動(dòng)橋的主要噪聲輻射位置，對(duì)其進(jìn)行有限元約束模態(tài)分析。約束位置為11個(gè)螺栓孔處，模擬后蓋在驅(qū)動(dòng)橋上的連接狀態(tài)，繼而進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖12所示，其頻率為1106Hz。故階次跟蹤圖上1050Hz-1170Hz頻率內(nèi)的噪聲幅值異常增大是由于驅(qū)動(dòng)橋殼蓋的一階彎曲共振導(dǎo)致的。圖12橋殼后蓋一階約束模態(tài)由橋殼后蓋一階約束模態(tài)陣型圖可以看出，振幅最大位置位于注油孔四周，最直接的改進(jìn)方式即把注油孔周?chē)訌?qiáng)，可以焊接板材。但這樣做的缺點(diǎn)是增加了生產(chǎn)工序，且后蓋太薄，不易焊接。最簡(jiǎn)易的改進(jìn)措施為把驅(qū)動(dòng)橋蓋加厚，由2mm改為2.5mm，這樣不會(huì)改變生產(chǎn)方式，只是增加少量的材料成本費(fèi)。5改進(jìn)效果試驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及理論分析，提出了三項(xiàng)改進(jìn)措施，即：（1）把主減速器被動(dòng)齒輪的表面硬度由61±2HRC改為59±2HRC。（2）把驅(qū)動(dòng)橋殼蓋的厚度由2mm增加到2.5mm。（3）加裝動(dòng)力吸振器。對(duì)改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)橋做臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，保證各試驗(yàn)條件與改進(jìn)前的臺(tái)架試驗(yàn)一致。把驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與改進(jìn)前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，圖13為改進(jìn)后的勻加速工況加速度傳感器階次跟蹤分析，可見(jiàn)齒輪嚙合沖擊振動(dòng)已經(jīng)衰減了很多。圖13改進(jìn)后勻加速工況加速度傳感器階次跟蹤分析改進(jìn)前后反拖工況傳聲器聲壓隨轉(zhuǎn)速變化曲線對(duì)比如圖14所示，由改進(jìn)前后噪聲對(duì)比可以看出，噪聲降低明顯，在整個(gè)過(guò)程中降低了3dB左右，并且在1066r/min處的噪聲異常情況消失。圖14改進(jìn)前后反拖工況噪聲對(duì)比改進(jìn)后勻加速工況傳聲器階次跟蹤如圖15所示，從圖中可以看出1050Hz-1170Hz頻率內(nèi)的噪聲幅值異常增大情況已基本消失。圖15改進(jìn)后勻加速工況傳聲器階次跟蹤分析由改進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)措施切實(shí)有效，驅(qū)動(dòng)橋異常振動(dòng)噪聲的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)途徑及改進(jìn)方案對(duì)其它驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲控制具有積極地參考價(jià)值。6結(jié)論對(duì)某汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模擬實(shí)車(chē)運(yùn)行的臺(tái)架試驗(yàn)，并結(jié)合有限元模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題，并提出解決方案：（1）該驅(qū)動(dòng)橋11階振動(dòng)異常突出，即主減速器齒輪對(duì)嚙合沖擊過(guò)大，原因?yàn)閮升X輪表面硬度較高。適當(dāng)降低被動(dòng)大齒輪的表面硬度，會(huì)降低齒輪對(duì)嚙合沖擊導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲，且不會(huì)影響使用壽命。（2）輸入轉(zhuǎn)速1066r/min時(shí)噪聲突然異常增大，經(jīng)過(guò)分析推測(cè)此轉(zhuǎn)速下的異常噪聲是由于齒輪嚙合頻率與橋殼的某一階固有頻率相近導(dǎo)致橋殼共振。為了驗(yàn)證這一推測(cè)，用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋做了模態(tài)分析。模態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)橋殼的一階彎曲固有頻率與驅(qū)動(dòng)橋輸入轉(zhuǎn)速1066r/min時(shí)的齒頻非常接近，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋殼共振，需要在驅(qū)動(dòng)橋上安裝動(dòng)力吸振器。（3）橋殼后蓋的厚度很小，導(dǎo)致一階模態(tài)頻率時(shí)的振動(dòng)噪聲很大，需要對(duì)橋殼后蓋進(jìn)行加厚處理。在驅(qū)動(dòng)橋上施加改進(jìn)措施之后，進(jìn)行傳動(dòng)系臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中保證試驗(yàn)條件與改進(jìn)前的臺(tái)架試驗(yàn)條件一致。經(jīng)驗(yàn)證，改進(jìn)措施取得了良好的效果，本研究為其它驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲控制提供了參考。參考文獻(xiàn)[1]Sang-KwonLee,Sung-KyuGo,DongjunYu,etal.IdentificationandReductionofGearWhineNoiseoftheAxleSysteminaPassengerVan[C]//SAEPaper,2005-01-2302.[2]FaydorL.Litvin,AlfonsoFuentes,KenichiHayasaka.Design,manufacture,stressanalysis,andexperimen-taltestsoflow-noisehighendurancespiralbevelgears[J].MechanismandMachineTheory,2006,41(1):83-118.[3]夏秀蓉,楊鋒軍,孟春景.螺旋錐齒輪質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)橋總成噪聲的影響[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,32(S1):167-170.[4]FrankFahy.SoundandStructuralVibrationRadiationTransmissionand