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后橋總成嘯叫噪聲問題分析及結(jié)構(gòu)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(zhì)量的主要問題之一。為降低嘯叫噪聲，文章結(jié)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(zhì)量的主要問題之一。為降低嘯叫噪聲，文章結(jié)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(yīng)分析的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方法。首先對后橋總成嘯叫問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，利用MASTA 軟件建立傳動軸-后橋動態(tài)響應(yīng)分析模型并進(jìn)行仿真分析得到關(guān)鍵點(diǎn)的振動加速度值及齒輪錯位量。然后根據(jù)仿真分析結(jié)果通過格里森軟件對齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化達(dá)到降低齒輪傳遞誤差，降低嘯叫噪聲的目的。最后通過實(shí)車測試，驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可行的，為汽車NVH 性能提升的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路。
 
引言
汽車動力系統(tǒng)的改進(jìn)一直是汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。齒輪作為動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)零件，在動力傳動過程中起關(guān)鍵作用。齒輪傳動過程中產(chǎn)生的振動與噪聲會嚴(yán)重影響整車的品質(zhì)，導(dǎo)致用戶評價(jià)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(shí)產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響駕駛者的行車體驗(yàn)。為了解決齒輪嘯叫噪聲問題，部分學(xué)者和工程技術(shù)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(jìn)行仿真，得到了修形參數(shù)對齒輪傳動誤差和接觸應(yīng)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(jìn)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(jié)合的齒面修形法，建立一種齒輪傳遞誤差和齒面接觸應(yīng)力雙目標(biāo)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(guān)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(yàn)進(jìn)行齒輪修形，并結(jié)合實(shí)車測試反復(fù)調(diào)整齒輪參數(shù)達(dá)到降低齒輪噪聲的目的。這種人工經(jīng)驗(yàn)修形的方法由于缺少理論依據(jù)，耗時(shí)長，效率低。為此，本文結(jié)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(yīng)分析的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fù)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(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)，主動齒輪的齒廓A 和被動輪上齒廓B 嚙合，主被齒準(zhǔn)確平穩(wěn)的運(yùn)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(dǎo)致主齒A 需要多轉(zhuǎn)動一個角度δ 才能在嚙合線上到達(dá)嚙合位置B'處，此時(shí)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(shí)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(shí)測誤差數(shù)值或誤差曲線最能反映齒輪誤差激勵的實(shí)際情況，但該方法較難實(shí)現(xiàn)，一般較少適用。在齒輪動力學(xué)模型中，誤差激勵實(shí)質(zhì)上是一種參數(shù)激勵，其表現(xiàn)形式為彈性力項(xiàng)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(jìn)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(dǎo)致齒輪振動噪聲被放大，此時(shí)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(shè)計(jì)
2.1 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助齒輪設(shè)計(jì)，CAGE 軟件對齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)基于理想化的邊界條件，與實(shí)際工作狀態(tài)不吻合，因此無法判斷齒輪在實(shí)際工作狀態(tài)下的錯位量。
 
 
圖5 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
 
為此，考慮進(jìn)一步利用與CAGE 軟件無縫對接的齒輪動態(tài)分析MASTA 軟件進(jìn)行齒輪在實(shí)車工作狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)分析，通過齒輪在實(shí)車工作狀態(tài)下的真實(shí)錯位量與對應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)的振動加速度的匹配分析，對齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體的設(shè)計(jì)流程如圖5 所示，首先將CAGE 軟件設(shè)計(jì)的主減速齒輪spa 文件導(dǎo)入MASTA 軟件中，建立傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析模型。接下來對新開發(fā)的齒輪進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析得出關(guān)鍵點(diǎn)（主齒軸承位，差速器軸承位）的振動加速度，同時(shí)計(jì)算對應(yīng)的齒輪錯位量，通過關(guān)鍵點(diǎn)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(jìn)行齒形修形，直至設(shè)計(jì)達(dá)到要求。
2.2 傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析
傳動軸-后橋系統(tǒng)是復(fù)雜的多自由度非線性振動系統(tǒng)，利用MASTA軟件準(zhǔn)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(shí)車測試的兩種工況下的傳動軸輸入端輸入轉(zhuǎn)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(yīng)分析模型
表1 齒輪優(yōu)化前五檔加速工況分析結(jié)果
 
 
表2 齒輪優(yōu)化前五檔滑行工況分析結(jié)果
 
 
 
根據(jù)實(shí)際測量結(jié)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(diǎn)主要是在主減速器總成的軸承處。因此設(shè)置主齒軸承位與差速器軸承位作為測試關(guān)鍵點(diǎn)，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(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，分析結(jié)果如表1，表2 所示。
為驗(yàn)證仿真模型的合理性，進(jìn)行實(shí)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(biāo)GB T 18697-2002 汽車車內(nèi)噪聲測量方法，采用LMS 噪聲測試設(shè)備，在研究車型的中后排位置安裝麥克風(fēng)測試噪聲，如圖7 所示。實(shí)車測試結(jié)果如圖8 所示，加速工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3212r/min，對應(yīng)主齒嚙合頻率在640Hz 出現(xiàn)峰值噪聲；滑行工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3224r/min，對應(yīng)主齒嚙合頻率在647Hz 出現(xiàn)峰值噪聲。仿真分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近，證明該模型參數(shù)設(shè)置合理。
 
 
 
圖7 實(shí)車測試
 
 
圖8 實(shí)車測試結(jié)果
 
2.3 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)
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(jìn)一步對齒輪進(jìn)行修形。齒輪的傳遞誤差與齒輪接觸印痕關(guān)聯(lián)度大。齒面接觸印痕增大時(shí)，齒輪的傳遞誤差減小，齒面的受力變形也隨之減小，同時(shí)增加了齒輪嚙合路徑。因此，在格里森CAGE 軟件中，通過調(diào)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(diào)整，達(dá)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(jìn)行兩種工況下的動態(tài)響應(yīng)分析，得到主被齒輪錯位量TE 值及關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)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(jié)果
 
 
 
表4 齒輪優(yōu)化后五檔滑行工況分析結(jié)果
 
 
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
 
為進(jìn)一步驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性，將改進(jìn)后的齒輪進(jìn)行實(shí)車測試，測試結(jié)果如圖15 所示。對比改進(jìn)前的實(shí)車測試結(jié)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(jià)整車嘯叫聲問題基本解決。
 
 
圖15 優(yōu)化方案實(shí)車測試結(jié)果
4 結(jié)論
 
本文結(jié)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(yīng)分析的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)——傳動軸-后橋系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析——振動噪聲及齒輪錯位量分析——齒輪修形改進(jìn)的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。通過實(shí)車測試對比，驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guān)零部件NVH 性能提升的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路。
 
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