?本文以某國產(chǎn)皮卡車驅(qū)動橋嘯叫為出發(fā)點,對其進行整車試驗和模態(tài)試驗,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)的改進措施;最后利用有限元和邊界元方法驗證改進后的效果。
1 驅(qū)動橋嘯叫整車試驗 ? ? ?
1.1 試驗方案
本文所研究的對象為某國產(chǎn)皮卡車,該車采用前置后驅(qū)的動力系統(tǒng)布置方案。對驅(qū)動橋嘯叫進行整車試驗,分析后橋嘯叫原因,以便于后期的改進。試驗儀器主要有LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲學(xué)麥克、振動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
Tab.1 Distribution of the sensors
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。測試場地為廣德試驗場的B級路面,測試工況為加速、勻速和滑行工況。
(a)驅(qū)動橋 (b)駕駛員耳旁 (c)座椅導(dǎo)軌
圖1 部分傳感器布置位置
Fig.1 Placements of partial sensors
1.2 試驗結(jié)果分析
根據(jù)測試時駕駛員和乘員的主觀評價,汽車在四擋90 km/h(后橋輸入轉(zhuǎn)速2 700 r/min)時存在后橋嘯叫噪聲;并且滑行工況時,由于發(fā)動機噪聲比加速時小,發(fā)動機的“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)動橋的輸入軸轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速,可以看出發(fā)動機2階、4階和6階噪聲最明顯。后橋主減速器傳動比為41/9(大齒輪41個齒,小齒輪9個齒),小齒輪軸每轉(zhuǎn)動一圈,主減速器齒輪就會產(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
Fig.2 Order tracking noise of driver
如圖3所示,對車內(nèi)噪聲按階次進行切片,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)動機轉(zhuǎn)速在2 000 r/min以內(nèi)時,發(fā)動機4階噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻量最大,轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min后,發(fā)動機2階噪聲貢獻量最大??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,和總噪聲的聲壓級之差小于6 dB(A),在車內(nèi)(尤其是后排乘員位置)會聽到明顯的齒輪嘯叫。其他轉(zhuǎn)速時,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
Fig.3 Order slice of driver noise
圖4是橋殼后蓋振動的階次追蹤圖,在395 Hz存在明顯的共振帶,齒輪的9階激勵在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)動橋嘯叫。
圖4 橋殼后蓋振動的階次追蹤圖
Fig.4 Order tracking of rear axle housing vibration
2 驅(qū)動橋總成模態(tài)分析 ?
為了確定驅(qū)動橋嘯叫的模態(tài)頻率,建立驅(qū)動橋總成的有限元模型,對其模態(tài)進行仿真分析,并進行模態(tài)試驗。
2.1 有限元分析
如圖5所示,利用Hypermesh軟件對驅(qū)動橋總成劃分網(wǎng)格,建立驅(qū)動橋總成的有限元模型,利用ABAQUS軟件的Lanczos算法求解驅(qū)動橋的模態(tài)。
圖5 驅(qū)動橋總成有限元模型
Fig.5 Finite element model of drive axle
2.2 模態(tài)試驗
圖6是驅(qū)動橋的模態(tài)試驗,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,采用一點激振多點采集的方式。在驅(qū)動橋上布置的拾振點數(shù)為43點,每點布置一個三向振動加速度傳感器,共需要通道數(shù)為129,LMS測試前端的通道數(shù)量為72個,因此需要分兩次布點和測量。正式采集數(shù)據(jù)之前,要對激振點進行互易性檢驗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
Fig.6 Modal test rear axle
表2是驅(qū)動橋模態(tài)測試和仿真結(jié)果,兩者的誤差在8%以內(nèi),基本滿足工程實際需要,可以認為有限元模型是正確的。驅(qū)動橋第五階模態(tài)頻率為400 Hz左右,和驅(qū)動橋在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激發(fā)后橋此階模態(tài)共振引起的。
表2 試驗?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)對比
Tab.2 Comparison of experimental and simulation modal
3 后橋嘯叫的改進方案 ? ? ?
3.1 后橋嘯叫機理
后橋噪聲主要分為兩種:空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲??諝鈧髀曋傅氖驱X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)動橋殼體,引起殼體振動,從而向外界輻射噪聲。因為驅(qū)動橋齒輪被金屬的驅(qū)動橋殼完全包裹住,齒輪嚙合噪聲很難直接傳到外界,驅(qū)動橋噪聲主要是結(jié)構(gòu)傳聲[15]。
從整車試驗已知,驅(qū)動橋在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引起后橋第五階模態(tài)導(dǎo)致的。
可以從以下幾個方面解決:(1)減小后橋主減速器齒輪的嚙合激勵,從根源上降低驅(qū)動橋的噪聲。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)動橋殼體的振動響應(yīng),在不改變激勵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,但是會增加成本。
3.2 改進方案
為了便于實施,通過改進橋殼的結(jié)構(gòu),降低橋殼的振動響應(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,因此,可以加強橋殼與主減殼的連接位置的強度,提高此階模態(tài),從而避免橋殼共振。當(dāng)汽車四擋行駛時,常用的車速范圍是40 km/h~98 km/h,車速為98 km/h時后橋輸入轉(zhuǎn)速為2 940 r/min,此轉(zhuǎn)速對應(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)動橋為鋼板沖壓焊接結(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)形加強環(huán),加強環(huán)的厚度遠大于橋殼厚度。為了提高主減殼與橋殼連接位置的強度,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軟件對改進后的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)仿真計算,模態(tài)頻率提高為484.67 Hz。
(a)原結(jié)構(gòu) (b)改進結(jié)構(gòu)
圖7 改進方案結(jié)構(gòu)圖
Fig.7 The improved structure
3.3 方案驗證
基于驅(qū)動橋總成的有限元模型,利用ABAQUS軟件的動態(tài)隱式(Dynamic,implicit)分析步[16]仿真分析驅(qū)動橋的動態(tài)特性,在小齒輪軸施加轉(zhuǎn)速,在半軸兩側(cè)施加力矩,模擬后橋真實工況。如圖8所示,仿真得到橋殼表面的振動加速度數(shù)據(jù)。
圖8 橋殼表面振動加速度云圖
Fig.8 Vibration of the drive axle surface
將橋殼表面的振動數(shù)據(jù)其導(dǎo)入到LMS.Virtual.Lad軟件中,利用邊界元模塊仿真計算驅(qū)動橋的輻射聲場。如圖9所示,參考QC/T 533-1999[17],提取驅(qū)動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
Fig.9 Radiated noise of the drive axle surface
根據(jù)邊界元模型的噪聲仿真結(jié)果,改進后驅(qū)動橋噪聲在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)動橋嘯叫是由主減速器齒輪嚙合激勵引起,后橋噪聲階次與主減速器小齒輪的齒數(shù)有關(guān)。
(2)當(dāng)齒輪的嚙合激勵與驅(qū)動橋的固有頻率重疊時,會引起驅(qū)動橋共振,導(dǎo)致后橋嘯叫。
(3)通過橋殼結(jié)構(gòu)的改進,使得共振頻率遠離常用工況,可以抑制驅(qū)動橋嘯叫;如果從根源上解決驅(qū)動橋的嘯叫,需要降低主減速器齒輪的嚙合激勵。
(4)改進后的驅(qū)動橋結(jié)構(gòu),后續(xù)還需試制樣件,并且在整車上進行驗證嘯叫的影響。
編輯:黃飛
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