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驅(qū)動(dòng)橋NVH分析及性能優(yōu)化-MASTA加載傳動(dòng)誤差
2020-06-22 23:25:27· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：聶少武
前言驅(qū)動(dòng)橋其振動(dòng)噪聲直接影響著汽車的NVH 性能。準(zhǔn)雙曲面齒輪作為汽車驅(qū)動(dòng)橋主減速器中的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，其齒面嚙合質(zhì)量對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)橋的工作性能有著直接影響。為
前言
驅(qū)動(dòng)橋其振動(dòng)噪聲直接影響著汽車的NVH 性能。準(zhǔn)雙曲面齒輪作為汽車驅(qū)動(dòng)橋主減速器中的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，其齒面嚙合質(zhì)量對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)橋的工作性能有著直接影響。為了降低驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲，必須提升準(zhǔn)雙曲面齒輪的設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化齒面的嚙合性能。本文基于實(shí)際工況，從驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪的傳動(dòng)誤差著手，研究了加載傳動(dòng)誤差與驅(qū)動(dòng)橋噪聲之間的影響關(guān)系，為汽車驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪修形優(yōu)化提供理論參考。
1 驅(qū)動(dòng)橋模型及嚙合錯(cuò)位量
1.1 驅(qū)動(dòng)橋MASTA分析模型的建立
本文中研究對(duì)象為江鈴集團(tuán)某輕型客車驅(qū)動(dòng)橋（車型編號(hào)為N520）。依據(jù)驅(qū)動(dòng)橋及其各個(gè)零部件的二維圖紙，基于UG 軟件分別建立橋殼、主減速器、差速器、半軸等零部件的三維模型；將上述各個(gè)三維模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，進(jìn)行前處理及網(wǎng)格劃分。然后，基于MASTA 軟件建立驅(qū)動(dòng)橋的二維模型，如圖1（a）所示。將上述各個(gè)部件的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入到MASTA 中，替換MASTA 自動(dòng)生成的相對(duì)應(yīng)的模型，最終得到驅(qū)動(dòng)橋的MASTA 三維分析精確模型，如圖1（b）所示。
圖1 驅(qū)動(dòng)橋模型
驅(qū)動(dòng)橋主減速器準(zhǔn)雙曲面齒輪的幾何參數(shù)如表1所示。
表1 齒輪幾何參數(shù)
1.2 工況載荷的確定
汽車驅(qū)動(dòng)橋的工況載荷可由兩種途徑獲得：一種是根據(jù)輸入端發(fā)動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩，經(jīng)擋位換算得到各個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)橋輸入轉(zhuǎn)矩；另一種是根據(jù)輸出端路況載荷阻力矩計(jì)算得到。根據(jù)這兩種途徑，可以得到驅(qū)動(dòng)橋主減速器輸入端最大輸入轉(zhuǎn)矩，一般用于驅(qū)動(dòng)橋的靜強(qiáng)度校核。實(shí)際上汽車很少在最大載荷下行駛，一般驅(qū)動(dòng)橋嘯叫異響多發(fā)生在高速行駛過程中，此時(shí)驅(qū)動(dòng)橋輸入轉(zhuǎn)矩隨著速度的升高而減小，其數(shù)值并不是很大，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩可以通過路況測(cè)試得到。
本文中研究的車輛在高速路上進(jìn)行路試時(shí)，測(cè)量擋位為第5 擋（直接擋，速比為1），測(cè)試環(huán)境為晴天無風(fēng)，測(cè)試工況分為兩個(gè)階段：加速階段，速度范圍80～110 km/h；減速帶擋滑行階段，速度范圍110～80 km/h。主觀駕評(píng)結(jié)果為：加速階段，驅(qū)動(dòng)橋無異響，但在減速帶擋滑行階段，驅(qū)動(dòng)橋出現(xiàn)了輕微的齒輪嘯叫，對(duì)應(yīng)的具體速度區(qū)間為[100，90]。針對(duì)測(cè)試工況對(duì)驅(qū)動(dòng)橋輸入端轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了測(cè)試，傳感器安裝如圖2（a）所示，測(cè)試參數(shù)設(shè)置如圖2（b）所示，測(cè)量結(jié)果為電壓信號(hào)，如圖2（c）所示，根據(jù)電壓與轉(zhuǎn)矩之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（T=2 594×V）對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到了驅(qū)動(dòng)橋輸入端轉(zhuǎn)矩變化曲線，如圖2（d）所示。
由圖2（d）測(cè)量工況的轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，在80～110 km/h 加速階段，測(cè)得的驅(qū)動(dòng)橋輸入端轉(zhuǎn)矩變化不大，基本在240～260 N·m 之間變化；在110-80 km/h 減速帶擋滑行階段，測(cè)得的驅(qū)動(dòng)橋輸入端轉(zhuǎn)矩在-30～-50 N·m 之間變化。（關(guān)于轉(zhuǎn)矩正負(fù)號(hào)的說明：加速階段，小輪凹面驅(qū)動(dòng)大輪凸面工作，定義轉(zhuǎn)矩為正值；減速帶擋滑行階段，齒面反拖，大輪凹面驅(qū)動(dòng)小輪凸面工作，定義轉(zhuǎn)矩為負(fù)值。）由于齒輪嘯叫發(fā)生在減速帶擋滑行階段（對(duì)應(yīng)具體速度區(qū)間為[100，90]），所以本文中主要針對(duì)減速工況進(jìn)行研究。為了便于更全面的分析，在參考圖2（d）轉(zhuǎn)矩曲線的基礎(chǔ)上，將減速階段轉(zhuǎn)矩范圍適當(dāng)擴(kuò)大，制定了工況載荷，如表2所示。
圖2 轉(zhuǎn)矩測(cè)試實(shí)驗(yàn)
表2 驅(qū)動(dòng)橋輸入端轉(zhuǎn)矩
1.3 齒輪嚙合錯(cuò)位量計(jì)算
驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪在受到轉(zhuǎn)矩載荷后，會(huì)導(dǎo)致兩輪之間的相對(duì)位置發(fā)生偏移，我們將相對(duì)位置的偏移數(shù)據(jù)稱為齒輪嚙合錯(cuò)位量，如圖3 所示。圖3 中，ΔXP 為小輪軸向錯(cuò)位量，ΔXW 為大輪軸向錯(cuò)位量，ΔE 為小輪軸線相對(duì)大輪軸線的垂直方向錯(cuò)位量，Δ∑為齒輪軸夾角錯(cuò)位量。
圖3 齒輪嚙合錯(cuò)位量
借助MASTA 軟件的系統(tǒng)變形分析功能，針對(duì)表2中的載荷，計(jì)算出齒輪嚙合錯(cuò)位量，如表3所示。
表3 驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪嚙合錯(cuò)位量
2 實(shí)際工況下齒輪LTCA 分析
驅(qū)動(dòng)橋主減準(zhǔn)雙曲面齒輪反車面的加工參數(shù)如表4 所示，對(duì)其進(jìn)行了TCA 及LTCA 分析，設(shè)計(jì)接觸區(qū)如圖4所示，實(shí)際工況下齒面加載接觸區(qū)和加載傳動(dòng)誤差曲線分別如圖5、圖6所示。
表4 齒輪加工參數(shù)
由圖5 齒面加載接觸區(qū)可以看出，隨著載荷增加，齒面接觸應(yīng)力及齒根彎曲應(yīng)力均有所增加。在減速帶擋滑行階段，驅(qū)動(dòng)橋輸入端轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值相對(duì)較小且變化不大，在表2所列的載荷下，齒面都沒有發(fā)生偏載和邊緣接觸，齒面接觸區(qū)的位置、形狀及大小都比較合理。
圖4 反車面齒面設(shè)計(jì)接觸區(qū)及傳動(dòng)誤差
圖5 嚙合錯(cuò)位下反車面齒面加載接觸區(qū)
圖6 中反拖面的加載傳動(dòng)誤差曲線幅值（LTE）分別為：-30 N·m時(shí)，LTE為16.67µrad；-40 N·m時(shí)，LTE 為20.3 µrad；-50 N·m 時(shí)，LTE 為23.64 µrad；-60 N·m 時(shí)，LTE 為26.37µrad。由此可以看出，隨著載荷的增加，加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值呈逐漸增大趨勢(shì)。
圖6 嚙合錯(cuò)位下反車面加載傳動(dòng)誤差曲線
3 驅(qū)動(dòng)橋NVH 仿真分析
借助MASTA軟件NVH分析功能對(duì)驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析。在進(jìn)行NVH 分析時(shí)，需在驅(qū)動(dòng)橋上布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置要與實(shí)際測(cè)試位置一致。一般驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲最大幅值發(fā)生在驅(qū)動(dòng)橋后蓋位置，其次是主減速器小齒輪軸外軸承外部位置。因此，實(shí)際測(cè)試中經(jīng)常在這兩個(gè)位置布置三向加速度傳感器。限于篇幅，本文僅選擇在小齒輪軸外軸承外部布置測(cè)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)橋測(cè)試傳感器方向定義及測(cè)點(diǎn)布置如圖7 所示。由于此位置Z 方向振動(dòng)最為強(qiáng)烈，因此，測(cè)量結(jié)果僅給出Z 方向噪聲曲線。由于齒輪嘯叫速度區(qū)間（[100，90]）位于減速帶擋滑行階段的測(cè)試工況范圍內(nèi)（測(cè)試工況速度范圍為110～80 km/h，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1 700～2 400 r/min），為了便于分析，可將這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍適當(dāng)擴(kuò)大，圖8給出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在1 000～2 600 r/min之間的齒輪基本階次（8階）噪聲曲線。
圖7 驅(qū)動(dòng)橋傳感器方向定義及測(cè)點(diǎn)布置
圖8 齒輪基本階次（8階）噪聲曲線
由圖8 可以看出，在測(cè)試工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 700～2 400 r/min 范圍內(nèi)，-30 N·m 對(duì)應(yīng)的噪聲曲線數(shù)值最小，-60 N·m 對(duì)應(yīng)的噪聲曲線數(shù)值最大。這表明隨著載荷的增加，噪聲呈逐漸增大趨勢(shì)。
對(duì)比圖6和圖8可以看出，加載傳動(dòng)誤差曲線隨載荷的變化趨勢(shì)與驅(qū)動(dòng)橋噪聲曲線隨載荷的變化趨勢(shì)具有一致性。也就是說，在同一載荷下，加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值越大，對(duì)應(yīng)的噪聲曲線數(shù)值就越高。
4 驅(qū)動(dòng)橋的NVH 性能優(yōu)化
為改善減速帶擋滑行階段的齒輪嘯叫問題，從傳動(dòng)誤差著手，對(duì)齒輪原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，即通過優(yōu)化兩齒面之間失配關(guān)系，減小齒廓方向失配量，從而減小原始設(shè)計(jì)的傳動(dòng)誤差幅值。優(yōu)化后小輪凸面加工參數(shù)如表5 所示，傳動(dòng)誤差曲線如圖9 所示，設(shè)計(jì)的傳動(dòng)誤差數(shù)值由27.8 µrad 降至17.6µrad。優(yōu)化后的加載傳動(dòng)誤差曲線如圖10 所示，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋噪聲曲線如圖11 所示。
圖9 優(yōu)化后的傳動(dòng)誤差曲線
表5 優(yōu)化后小輪凸面加工參數(shù)
圖10 中優(yōu)化后反拖面加載傳動(dòng)誤差曲線幅值（LTE）分別為：-30 N·m 時(shí)，LTE 為9.77 µrad；-40 N·m 時(shí)，LTE 為13.86 µrad；-50 N·m 時(shí)，LTE為17.36 µrad；-60 N·m 時(shí)，LTE 為19.52 µrad。對(duì)比圖6和圖10可知，設(shè)計(jì)傳動(dòng)誤差幅值減小后，表2中載荷下對(duì)應(yīng)的加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值均得到了減小。
圖10 優(yōu)化后的加載傳動(dòng)誤差曲線
對(duì)比圖8 和圖11 可看出，加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值減小后，通過NVH 虛擬仿真得到的驅(qū)動(dòng)橋噪聲曲線整體數(shù)值也得到了下降。
圖11 優(yōu)化后齒輪基本階次（8階）噪聲曲線
通過對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出加載傳動(dòng)誤差曲線對(duì)驅(qū)動(dòng)橋噪聲曲線的影響規(guī)律，即加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值越小，驅(qū)動(dòng)橋噪聲越低；加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值越大，驅(qū)動(dòng)橋噪聲越高。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，將傳動(dòng)誤差優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪經(jīng)過加工、裝車后，進(jìn)行了路試測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試設(shè)備為1 臺(tái)24 通道西門子LMS 采集器、1 個(gè)麥克風(fēng)、1 個(gè)三向振動(dòng)傳感器和1 臺(tái)測(cè)試工作站。測(cè)量參數(shù)設(shè)置如下：噪聲分析帶寬12 800 Hz，分辨率1 Hz，振動(dòng)分析帶寬6 400 Hz，分辨率1 Hz，測(cè)量轉(zhuǎn)速最小值1 500 r/min，最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min，步長(zhǎng)25 r/min。路試測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示，減速帶擋滑行階段LMS測(cè)試結(jié)果如圖13所示。
圖12 路試測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置
圖13 優(yōu)化前后LMS測(cè)試結(jié)果
當(dāng)前汽車企業(yè)常采用階次跟蹤分析方法，通過比較齒輪階次噪聲曲線與車內(nèi)總噪聲曲線（Overall）之間的最小差值來判斷齒輪嚙合噪聲對(duì)整車噪聲的貢獻(xiàn)率。目前，江鈴集團(tuán)對(duì)N520 輕型客車噪聲要求為：車內(nèi)總噪聲不超過76 dB，后橋齒輪階次噪聲與整車噪聲之間的差值要大于10 dB（因?yàn)樵谶@種情況下，主觀駕評(píng)時(shí)，齒輪嘯叫不明顯）。由圖13（a）可看出，優(yōu)化前，齒輪的8階噪聲曲線與總噪聲曲線之間的最小差值為6.75 dB，在10 dB 以內(nèi)；優(yōu)化后，齒輪的8階噪聲曲線與總噪聲曲線之間的最小差值為10.54 dB，大于10 dB。對(duì)比圖13（a）與圖13（b）的路試測(cè)試結(jié)果可知，主減齒輪傳動(dòng)誤差優(yōu)化后，驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪噪聲曲線得到了下降。經(jīng)再次主觀駕評(píng)反饋，減速帶擋滑行階段驅(qū)動(dòng)橋的齒輪嘯叫問題得以消除。路試測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。
以上仿真分析及路試測(cè)試結(jié)果表明，通過控制實(shí)際工況下加載傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)幅值可以降低驅(qū)動(dòng)橋噪聲，提升驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能。
需要說明的是，圖13 中實(shí)測(cè)的齒輪8 階噪聲曲線與圖8和圖11仿真的齒輪8階噪聲曲線形狀有所不同，這主要是因?yàn)樵趯?shí)際路試測(cè)試時(shí)，受到了環(huán)境、風(fēng)速、路面振動(dòng)及整車其他零部件因素的影響。
5 結(jié)論
（1）基于MASTA軟件建立了一種驅(qū)動(dòng)橋NVH仿真分析方法。在設(shè)計(jì)階段，通過進(jìn)行實(shí)際工況下的LTCA 分析和虛擬NVH 分析，可以預(yù)測(cè)出驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能，為驅(qū)動(dòng)橋減振降噪提供了一種解決途徑。
（2）通過建立加載傳動(dòng)誤差曲線與驅(qū)動(dòng)橋噪聲曲線之間的關(guān)聯(lián)，得到了加載傳動(dòng)誤差對(duì)驅(qū)動(dòng)橋噪聲的影響規(guī)律，為汽車驅(qū)動(dòng)橋主減齒輪的修形優(yōu)化提供了理論參考。
（3）通過仿真分析及主觀駕評(píng)表明，齒輪傳動(dòng)誤差是影響驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的主要因素，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)控制好傳動(dòng)誤差幅值。
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