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后橋總成嘯叫噪聲問題分析及結構優(yōu)化

2021-11-11 19:20:21·  來源：汽車NVH之家  
　
作者：徐海軍，李海建，劉鋒，林松；柳州五菱汽車工業(yè)有限公司 【摘要】后橋總成的嘯叫噪聲是影響汽車質量的主要問題之一。為降低嘯叫噪聲，文章結合某車型后橋
作者：徐海軍，李海建，劉鋒，林松；柳州五菱汽車工業(yè)有限公司

【摘要】后橋總成的嘯叫噪聲是影響汽車質量的主要問題之一。為降低嘯叫噪聲，文章結合某車型后橋總成嘯叫噪聲問題，提出一種基于傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析的齒輪優(yōu)化設計解決方法。首先對后橋總成嘯叫問題產(chǎn)生的原因進行分析，利用MASTA 軟件建立傳動軸-后橋動態(tài)響應分析模型并進行仿真分析得到關鍵點的振動加速度值及齒輪錯位量。然后根據(jù)仿真分析結果通過格里森軟件對齒輪設計參數(shù)優(yōu)化達到降低齒輪傳遞誤差，降低嘯叫噪聲的目的。最后通過實車測試，驗證該優(yōu)化設計方法是可行的，為汽車NVH 性能提升的優(yōu)化設計提供了一種可行的設計思路。
 
引言
汽車動力系統(tǒng)的改進一直是汽車領域研究的熱點方向。齒輪作為動力系統(tǒng)的基礎零件，在動力傳動過程中起關鍵作用。齒輪傳動過程中產(chǎn)生的振動與噪聲會嚴重影響整車的品質，導致用戶評價低，影響車型的銷售。
 
齒輪在嚙合傳動中所受的不平穩(wěn)的激振力和嚙合過程的傳動誤差會引起一種中高頻噪聲，稱為齒輪嘯叫。齒輪嘯叫不僅影響傳動的穩(wěn)定性，同時產(chǎn)生的噪聲嚴重影響駕駛者的行車體驗。為了解決齒輪嘯叫噪聲問題，部分學者和工程技術人員在此方面開展研究。湯海川和郭楓通過分析不同修形參數(shù)對齒輪嚙合傳動的影響，利用MASTA 軟件對齒形和齒向修形進行仿真，得到了修形參數(shù)對齒輪傳動誤差和接觸應力的影響規(guī)律，成功降低汽車變速器上齒輪的嘯叫噪聲。何暢然和賀敬良通過對變速箱5 檔齒輪的齒頂厚、配對齒頂間隙、齒根間隙、齒向和齒廓等參數(shù)進行優(yōu)化，減小了齒輪傳遞誤差，使嘯叫現(xiàn)象得到改善。徐忠四和承忠平等采用齒形和齒向相結合的齒面修形法，建立一種齒輪傳遞誤差和齒面接觸應力雙目標參數(shù)優(yōu)化控制模型，降低了電動汽車減速器的嘯叫噪聲。
 
汽車后橋總成是汽車底盤的關鍵零部件，后橋總成中齒輪傳遞的不平穩(wěn)性是后橋主減速器產(chǎn)生嘯叫噪聲的根本原因。目前國內(nèi)汽車企業(yè)解決后橋總成齒輪嘯叫噪聲的方法主要是通過人工依靠經(jīng)驗進行齒輪修形，并結合實車測試反復調整齒輪參數(shù)達到降低齒輪噪聲的目的。這種人工經(jīng)驗修形的方法由于缺少理論依據(jù)，耗時長，效率低。為此，本文結合某車型后橋總成嘯叫噪聲問題，提出一種基于傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析的齒輪優(yōu)化設計解決方法。
 
1 后橋總成嘯叫噪聲產(chǎn)生的原因分析
 
汽車的后橋總成是復雜的振動系統(tǒng)，它由主減速器（主動齒輪、被動齒輪及差速器總成等），半軸及橋殼等部件組成，通過主減速器實現(xiàn)降速增扭的作用。后橋總成模型如圖1 所示。
 
圖1 后橋總成模型
 
后橋傳動系統(tǒng)的差速器主要結構是由一對嚙合的傘齒輪組成，如圖2 所示。主被齒嚙合激勵產(chǎn)生振動的大小可用傳遞誤差來描述。如圖3 所示，正常情況下主被齒嚙合時，主動齒輪的齒廓A 和被動輪上齒廓B 嚙合，主被齒準確平穩(wěn)的運動。如果受到主背齒安裝剛度與差速器總成制造誤差的影響，被動齒廓發(fā)生變化，從B 處變成B'處，導致主齒A 需要多轉動一個角度δ 才能在嚙合線上到達嚙合位置B'處，此時在嚙合線上移動的額外距離TE 就是傳遞誤差。傳遞誤差的波動越大，齒輪傳動越不平穩(wěn)，齒輪傳動系統(tǒng)振動產(chǎn)生的噪聲越大。
 
 
圖2 一對傘齒輪的嚙合圖
 
 
圖3 齒輪傳遞誤差圖
 
在齒輪振動分析中，齒輪傳遞誤差可采用不同的方法來表示，可用實測的誤差數(shù)值或曲線表示，也可用傅立葉級數(shù)表示（基頻為齒輪嚙合頻率），還可用簡諧函數(shù)表示（頻率為齒輪嚙合頻率）。由于受到測試條件的限制，雖然實測誤差數(shù)值或誤差曲線最能反映齒輪誤差激勵的實際情況，但該方法較難實現(xiàn)，一般較少適用。在齒輪動力學模型中，誤差激勵實質上是一種參數(shù)激勵，其表現(xiàn)形式為彈性力項的位移量，通常采用簡諧函數(shù)來表示齒輪傳遞誤差：
 
式中，e0，eAi——為傳遞誤差在嚙合線法向上的常值和幅值，一般取e0=0；
——為齒輪的嚙合頻率；
φe——靜態(tài)傳遞誤差的初相位。
另一方面，由齒輪嚙合誤差產(chǎn)生的振動通過差速器振動噪聲傳遞路徑（圖4）進行傳遞，在此過程中，后橋傳動系統(tǒng)各零件間產(chǎn)生耦合振動導致齒輪振動噪聲被放大，此時差速器總成的嘯叫將更加明顯。
 
 
圖4 差速器嘯叫噪聲傳遞路徑
 
2 齒輪優(yōu)化設計
2.1 齒輪優(yōu)化設計的流程
根據(jù)前面的分析，由于齒輪傳動的不平穩(wěn)性是產(chǎn)生嘯叫噪聲的主要原因，以此通過提高齒輪齒形的加工精度及齒輪安裝位置的加工精度，減少齒輪的傳遞誤差，能在一定程度上改善后橋總成的嘯叫問題。目前企業(yè)通常采用格里森的計算機輔助齒輪設計，CAGE 軟件對齒輪進行設計。由于設計基于理想化的邊界條件，與實際工作狀態(tài)不吻合，因此無法判斷齒輪在實際工作狀態(tài)下的錯位量。
 
 
圖5 齒輪優(yōu)化設計流程圖
 
為此，考慮進一步利用與CAGE 軟件無縫對接的齒輪動態(tài)分析MASTA 軟件進行齒輪在實車工作狀態(tài)下的動態(tài)響應分析，通過齒輪在實車工作狀態(tài)下的真實錯位量與對應的關鍵點的振動加速度的匹配分析，對齒輪參數(shù)進行優(yōu)化改進。具體的設計流程如圖5 所示，首先將CAGE 軟件設計的主減速齒輪spa 文件導入MASTA 軟件中，建立傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析模型。接下來對新開發(fā)的齒輪進行動態(tài)響應分析得出關鍵點（主齒軸承位，差速器軸承位）的振動加速度，同時計算對應的齒輪錯位量，通過關鍵點的振動加速度判斷傳動軸-后橋系統(tǒng)振動噪聲是否在合格的閾值范圍內(nèi)。對于超過閾值的齒輪返回CAGE 軟件系統(tǒng)進行齒形修形，直至設計達到要求。
2.2 傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析
傳動軸-后橋系統(tǒng)是復雜的多自由度非線性振動系統(tǒng)，利用MASTA軟件準確建立傳動軸-后橋系統(tǒng)模型，包括傳動軸、半軸、主減速總成、車輪及懸掛掛臂系統(tǒng)，如圖6 所示。根據(jù)前期售后的反饋，研究車型的嘯叫問題主要出現(xiàn)在五檔滑行和加速狀態(tài)下，因此本文研究的工況條件為五檔滑行和五檔加速。以研究車型實車測試的兩種工況下的傳動軸輸入端輸入轉速和扭矩值作為模型加載的輸入。
 
 
 
圖6 傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析模型
表1 齒輪優(yōu)化前五檔加速工況分析結果
 
 
表2 齒輪優(yōu)化前五檔滑行工況分析結果
 
 
 
根據(jù)實際測量結果可知，由齒輪傳動誤差等引起的振動在主減速總成的耦合振動點主要是在主減速器總成的軸承處。因此設置主齒軸承位與差速器軸承位作為測試關鍵點，利用傳動軸-后橋系統(tǒng)模型對整車五檔加速及滑行工況進行動態(tài)響應分析，分析結果如表1，表2 所示。
為驗證仿真模型的合理性，進行實車對比測試。根據(jù)問題車型嘯叫噪聲的售后反饋，嘯叫最明顯的位置位于整車的中后排。按照國標GB T 18697-2002 汽車車內(nèi)噪聲測量方法，采用LMS 噪聲測試設備，在研究車型的中后排位置安裝麥克風測試噪聲，如圖7 所示。實車測試結果如圖8 所示，加速工況下，發(fā)動機轉速在3212r/min，對應主齒嚙合頻率在640Hz 出現(xiàn)峰值噪聲；滑行工況下，發(fā)動機轉速在3224r/min，對應主齒嚙合頻率在647Hz 出現(xiàn)峰值噪聲。仿真分析結果與實測結果接近，證明該模型參數(shù)設置合理。
 
 
 
圖7 實車測試
 
 
圖8 實車測試結果
 
2.3 齒輪優(yōu)化設計
為了增加齒輪傳動的平穩(wěn)性，減少齒輪的傳遞誤差，需要進一步對齒輪進行修形。齒輪的傳遞誤差與齒輪接觸印痕關聯(lián)度大。齒面接觸印痕增大時，齒輪的傳遞誤差減小，齒面的受力變形也隨之減小，同時增加了齒輪嚙合路徑。因此，在格里森CAGE 軟件中，通過調整接觸印痕長度系數(shù)和接觸印痕位置系數(shù)等參數(shù)的大小，可以完成對接觸印痕的調整，達到降低不同工況下齒輪傳遞誤差的目的，從而能有效的減少齒輪嘯叫噪聲。
對比齒輪優(yōu)化前后五檔加速工況及滑行工況下，齒輪接觸印痕及傳遞誤差（圖9，10），優(yōu)化后齒輪的接觸印痕長度增加，齒輪傳動誤差明顯下降，提升了齒輪傳動的平穩(wěn)性。
 
 
 
圖9 齒輪優(yōu)化前五檔加速及滑行工況下齒輪的接觸印痕及傳遞誤差
 
 
圖10 齒輪優(yōu)化后五檔加速及滑行工況下齒輪的接觸印痕及傳遞誤差
 
優(yōu)化后的齒輪再次在MASTA 軟件中進行兩種工況下的動態(tài)響應分析，得到主被齒輪錯位量TE 值及關鍵點的振動加速度值。
對比齒輪優(yōu)化前后五檔加速工況及滑行工況下，齒輪錯位量TE 值（圖11-14）及關鍵點的振動加速度值（表1-4），優(yōu)化后齒輪的錯位量顯著下降，關鍵點的加速度峰值明顯下降，有效地改善了后橋總成的嘯叫噪聲問題。
 
 
 
圖11 原方案加速工況TE 值
 
 
 
圖12 原方案滑行工況TE 值
 
 
 
圖13 優(yōu)化方案加速工況TE 值
 
 
 
圖14 優(yōu)化方案滑行速工況TE 值
表3 齒輪優(yōu)化后五檔加速工況分析結果
 
 
 
表4 齒輪優(yōu)化后五檔滑行工況分析結果
 
 
3 試驗驗證
 
為進一步驗證該優(yōu)化設計方法的合理性，將改進后的齒輪進行實車測試，測試結果如圖15 所示。對比改進前的實車測試結果（圖8），五檔加速工況下，主減速器噪聲從64db下降到58.5db，五檔滑行工況下，主減速噪聲從69db 下降到57db。測試者位于整車后排，主觀評價整車嘯叫聲問題基本解決。
 
 
圖15 優(yōu)化方案實車測試結果
4 結論
 
本文結合某車型后橋總成嘯叫噪聲問題，提出一種基于傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析的齒輪優(yōu)化設計解決方法。
利用格里森CAGE 軟件與齒輪動態(tài)分析MASTA 軟件的無縫對接，建立齒輪設計——傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應分析——振動噪聲及齒輪錯位量分析——齒輪修形改進的齒輪優(yōu)化設計思路。通過實車測試對比，驗證該優(yōu)化設計方法是可行的，能夠有效改善后橋總成的嘯叫噪聲問題，為后橋及相關零部件NVH 性能提升的優(yōu)化設計提供了一種可行的設計思路。
 
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