043-整體式汽車驅(qū)動(dòng)橋殼體振動(dòng)噪聲優(yōu)化數(shù)值研究

整體式汽車驅(qū)動(dòng)橋殼體振動(dòng)噪聲優(yōu)化數(shù)值研究夏元烽(1,2)，胡成太(1,2)，楊憲武(1,2)，李宏成(1,2)，田雄(1,2)（1.長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶401120，2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401120）【摘要】本文建立了驅(qū)動(dòng)橋殼體有限元模型，分析了驅(qū)動(dòng)橋殼體2000Hz以內(nèi)的模態(tài)密度。運(yùn)用模態(tài)應(yīng)變能和拓?fù)鋬?yōu)化分析方法，找出驅(qū)動(dòng)橋殼體剛度薄弱區(qū),并通過(guò)增加加強(qiáng)筋來(lái)減少模態(tài)密度。另外，用強(qiáng)迫振動(dòng)分析計(jì)算了單位激勵(lì)力下的殼體振動(dòng)響應(yīng)，并結(jié)合邊界元和ATV法，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)橋殼體近場(chǎng)聲壓級(jí)和板塊貢獻(xiàn)量。，增加加強(qiáng)筋后的殼體輻射噪聲得到了有效抑制。最后，利用LMSTest.lab試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證了增加殼體加強(qiáng)筋和后端蓋厚度有利于減小驅(qū)動(dòng)橋殼體輻射噪聲?！娟P(guān)鍵詞】整體式驅(qū)動(dòng)橋，拓?fù)鋬?yōu)化，ATV，板塊貢獻(xiàn)量NumericalStudyonVibrationandNoiseOptimizationofDependentAxleXiaYuan-feng1,2*，HuCheng-tai1,2，YangXian-wu1,2，LiHong-cheng1,2，Tian-Xiong1,2(1.ChanganAutoGlobalR&DCenter,Chongqing401120,China;2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing401120,ChinaAbstract：AFiniteElementmodelfordependentaxleofarearwheeldrivevehicleisestablished.Naturalfrequencyoftheaxlebelow2000Hziscalculated.Theweaknessoftheaxleisfoundbymodalstrainenergyanalysisandtopologicaloptimizationmethod,andthemodaldensityoftheaxleisdecreasedbyincreasingribs.Theforcevibrationanalysisisusedtocalculatetheresponseoftheaxleunderunitforce.ThesoundpressureandpanelcontributioniscalculatedbyBEMandATVmethod,andthesoundpressureiscontrolledbyincreasingribs.Finally,thetestprovesthatitisbenefitfordecreasingradiationnoisebyincreasingribsandcover’sthickness.Keywords:dependentaxle,topologicaloptimization,ATV,panelcontribution1.前言汽車驅(qū)動(dòng)橋常應(yīng)用于后驅(qū)車和四驅(qū)車，位于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的末端，有傳遞力矩，改變力矩傳遞方向，實(shí)現(xiàn)左右車輪差速的作用。它承受著來(lái)自路面和懸架的一切作用力，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一。汽車驅(qū)動(dòng)橋由于其工作在惡劣的工況條件下，疲勞耐久性成為眾多學(xué)者研究的問(wèn)題之一，然而，隨著人們生活水平的提高，驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能也成為研究的重點(diǎn)。DavidP.Schankin和ZhaohuiSun采用試驗(yàn)和有限元法分析了獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合能量在不同的工作環(huán)境下的傳遞路徑，為控制驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)聲傳遞提供了一種方法[1]。DanRyberg和HamidMir用實(shí)驗(yàn)傳遞路徑分析（TPA）和工作模態(tài)分析（RMA）建立了FBS分析模型，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋齒輪嘯叫噪聲進(jìn)行了分析[2]。YuejunE.Lee從驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合力的角度出發(fā)，通過(guò)減小齒輪嚙合力降低齒輪嚙合噪聲[3]。Sang-KwonLee和Sung-KyuGo采用傳遞路徑找出空氣輻射聲在驅(qū)動(dòng)橋嘯叫噪聲中貢獻(xiàn)量較大，最后通過(guò)調(diào)整齒輪齒形減小齒輪傳遞誤差降低嘯叫噪聲10dB(A)[4]。然而，驅(qū)動(dòng)橋殼體是傳遞和輻射噪聲的重要部件，若橋殼設(shè)計(jì)不當(dāng)，一方面在齒輪嚙合力作用下殼體發(fā)生共振，在傳遞路徑上放大噪聲，另一方面，薄壁件剛度弱，容易輻射噪聲。本文運(yùn)用模態(tài)分析法，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)橋自由模態(tài)，并用模態(tài)應(yīng)變能找出薄弱點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化方法找出驅(qū)動(dòng)橋殼體加筋位置。采用BEM-ATV計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋聲學(xué)響應(yīng)，并用板塊貢獻(xiàn)量法找到在特定頻率下，驅(qū)動(dòng)橋殼體對(duì)輻射噪聲的貢獻(xiàn)量，結(jié)合NVH實(shí)驗(yàn)分析，論證了殼體增加加強(qiáng)筋和增加端蓋厚度對(duì)驅(qū)動(dòng)橋輻射噪聲的抑制作用。2.驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)分析整體式驅(qū)動(dòng)橋由前橋殼、后橋殼、后端蓋、差速器、輸入軸等部件組成，如圖1所示。前橋殼一般是鑄造而成，厚重結(jié)實(shí)，剛度足；后端蓋和后橋殼一般是鈑金沖壓件，之后焊接而成整體式橋殼，殼體較薄，剛度弱。在惡劣的工況下，后橋輻射噪聲較明顯，有齒輪嘯叫聲和敲擊聲等?？刂坪髽蜉椛湓肼暎环矫婵刂茰?zhǔn)雙曲面齒輪齒形，減小齒輪傳遞誤差；另一方面，增加殼體剛度，減小由殼體共振而放大噪聲。后后橋殼后端蓋前橋殼差速器和主減速器半軸輸入軸圖1整體式驅(qū)動(dòng)橋組成由于驅(qū)動(dòng)橋橋殼是承受齒輪嚙合力載荷的關(guān)鍵，齒輪嚙合振動(dòng)與噪聲主要通過(guò)橋殼傳遞至車內(nèi)，因此忽略橋殼內(nèi)齒輪、軸承和半軸的影響，對(duì)橋殼進(jìn)行定性的分析以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋齒輪噪聲。驅(qū)動(dòng)橋的模態(tài)固有屬性決定了驅(qū)動(dòng)橋在任意激勵(lì)下振動(dòng)噪聲的表現(xiàn)形態(tài)，采用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼體網(wǎng)格離散化，用Lanczos法[5]求解由剛度矩陣和質(zhì)量矩陣組成的動(dòng)力學(xué)方程的特征值[6]。QUOTEK-λMδ=0其中為剛度矩陣，QUOTEM為質(zhì)量矩陣，為特征矢量，為特征值。如表1所示，第一和第三個(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的振型如圖2所示。（a）一階彎曲模態(tài)（110Hz）二階彎曲模態(tài)（347Hz）一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)（750Hz）圖2驅(qū)動(dòng)橋彎曲模態(tài)振型模態(tài)應(yīng)變能反應(yīng)模態(tài)應(yīng)力比較集中的位置，也是結(jié)構(gòu)剛度在某一頻率下較弱的地方，2000Hz以內(nèi)模態(tài)應(yīng)變能和模態(tài)應(yīng)力多集中于圖3所在位置。圖3模態(tài)應(yīng)變能（左）和模態(tài)應(yīng)力（右）表1驅(qū)動(dòng)橋2000Hz內(nèi)模態(tài)頻率分布階數(shù)頻率（Hz）振型描述屬性1110縱向一階彎曲整體模態(tài)2163垂向一階彎曲3347縱向二階彎曲4421垂向二階彎曲5648主減速器前殼體橫向擺動(dòng)局部模態(tài)6702縱向四階彎曲整體模態(tài)7750一階扭轉(zhuǎn)整體模態(tài)8809二階扭轉(zhuǎn)............201972主減速器后橋殼體呼吸模態(tài)局部模態(tài)由于整車嘯叫噪聲主要分布在2000Hz以內(nèi)，因此分析計(jì)算2000Hz以內(nèi)的模態(tài)頻率。從圖2和表1得出，驅(qū)動(dòng)橋一階彎曲模態(tài)偏低，模態(tài)密度較高，且主減速器后殼體呈大平面設(shè)計(jì)，準(zhǔn)雙曲面齒輪嚙合噪聲容易從殼體表面輻射出來(lái)?？刂乞?qū)動(dòng)橋殼的輻射噪聲，一方面控制模態(tài)密度，另一方面控制板塊聲輻射。對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法有拓?fù)鋬?yōu)化，形貌優(yōu)化，尺寸優(yōu)化等，對(duì)于體網(wǎng)格，常用拓?fù)鋬?yōu)化。3.驅(qū)動(dòng)橋拓?fù)鋬?yōu)化分析驅(qū)動(dòng)橋一階整體彎曲模態(tài)頻率較低，提高一階彎曲模態(tài)頻率，可以相應(yīng)的提高其他各階的模態(tài)頻率，有利于驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的控制。拓?fù)鋬?yōu)化是一種基于密度法的優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)變量在滿足約束方程的取值范圍內(nèi)，使設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)到最大或最小，可以表示為[7]：目標(biāo)方程：QUOTEmaxf=G（α1，α2，…，α約束方程：QUOTEμ1（α1，α2，…設(shè)計(jì)變量：QUOTEm1≤α1≤n1m2≤其中為目標(biāo)，為約束方程，為設(shè)計(jì)變量，和為設(shè)計(jì)變量取值范圍。驅(qū)動(dòng)橋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中，優(yōu)化目標(biāo)為一階模態(tài)頻率最大，設(shè)計(jì)變量為單元密度，約束為體積分?jǐn)?shù)上限。此驅(qū)動(dòng)橋主減速器前橋殼采用加筋設(shè)計(jì)，剛度較大，不作為優(yōu)化區(qū)域，后橋殼較薄，屬于薄弱區(qū)，如圖4所示。采用OptiStruct對(duì)該模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，經(jīng)過(guò)25步迭代計(jì)算，在滿足體積分?jǐn)?shù)上限50%的約束條件下，得到如圖5所示的優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化區(qū)優(yōu)化區(qū)非優(yōu)化區(qū)（黑色區(qū)）圖4驅(qū)動(dòng)橋優(yōu)化分析模型圖5驅(qū)動(dòng)橋拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖圖5的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果顯示，在殼體上對(duì)應(yīng)密度云圖上紅色區(qū)域表示加筋能夠提高驅(qū)動(dòng)橋一階彎曲模態(tài)，同時(shí)也相應(yīng)提高了其他模態(tài)階次的頻率。由于工藝和其他的安裝位置的限制，采用如圖6所示的加筋方式，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如表2所示。圖6驅(qū)動(dòng)橋殼體加筋方式表2殼體加筋驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)頻率分析階數(shù)頻率（Hz）描述屬性1133縱向一階彎曲整體模態(tài)2176垂向一階彎曲3387縱向二階彎曲4436垂向二階彎曲5771縱向三階彎曲6827主減速器前殼體橫向擺動(dòng)局部模態(tài)7837一階扭轉(zhuǎn)整體模態(tài)8893二階扭轉(zhuǎn)............171814主減速器前殼體縱向振動(dòng)局部模態(tài)按照拓?fù)鋬?yōu)化分析，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼體加筋后的模態(tài)分析顯示，加筋后，2000Hz以內(nèi)的模態(tài)密度降低至17個(gè)，減少了一些局部模態(tài)，同時(shí)，相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)橋整體模態(tài)頻率有較大的提高。4.基于ATV的驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲分析計(jì)算輻射噪聲，常使用聲學(xué)傳遞矢量法（ATV），它是系統(tǒng)的固有屬性，在結(jié)構(gòu)法線方向的振動(dòng)速度和外圍場(chǎng)點(diǎn)聲壓之間建立一種線性關(guān)系。這種線性關(guān)系如下[8]：QUOTEp=ATV(ω)Tvn(ω)其中QUOTEATV為聲學(xué)傳遞矢量，QUOTEvn為結(jié)構(gòu)表面法向振動(dòng)速度，為角頻率。由聲壓與結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度的關(guān)系可得，計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)是計(jì)算聲學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)。4.1強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析驅(qū)動(dòng)橋在隨頻率變化的激勵(lì)力作用下進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析，系統(tǒng)滿足下列關(guān)系式[5]：（6）把模型物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)，得：（7）把（7）式代入（6）并前乘得基于模態(tài)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)方程：（8）其中，為激勵(lì)力，為阻尼矩陣，為模態(tài)質(zhì)量矩陣，為模態(tài)剛度矩陣，為模態(tài)阻尼矩陣。在軸承孔處施加單位激勵(lì)力，采用基于模態(tài)的頻率響應(yīng)分析法計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋殼體振動(dòng)響應(yīng)，得到如圖7所示驅(qū)動(dòng)橋殼體在1000Hz左右振動(dòng)響應(yīng)云圖。圖7驅(qū)動(dòng)橋1000Hz振動(dòng)響應(yīng)云圖4.2聲學(xué)響應(yīng)分析驅(qū)動(dòng)橋高頻輻射噪聲，常通過(guò)空氣聲傳播出來(lái)，故計(jì)算殼體表面輻射噪聲，找出哪些板塊在特定頻率下對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)成為一種解決方法。以驅(qū)動(dòng)橋殼體表面的振動(dòng)加速度為邊界條件，建立殼體表面的邊界元模型，計(jì)算ATV，之后計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)的聲壓。根據(jù)要分析的頻率范圍，確定聲學(xué)邊界元的網(wǎng)格大小，建立的邊界元模型如圖8所示。以后橋幾何中心為中點(diǎn)，建立場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，得到ATV計(jì)算模型如圖9所示，1,2,3,4為拾取的相應(yīng)點(diǎn)。圖8驅(qū)動(dòng)橋聲學(xué)邊界元模型11234圖9驅(qū)動(dòng)橋ATV計(jì)算模型以模態(tài)響應(yīng)為基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)映射到邊界元模型作為聲學(xué)邊界條件，計(jì)算得到單位激勵(lì)下的聲學(xué)響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)橋在1000Hz左右近場(chǎng)聲壓級(jí)響應(yīng)如圖10所示。圖10后橋聲學(xué)響應(yīng)4.3板塊貢獻(xiàn)量分析通常板件輻射噪聲在特定頻率下，有不同的聲學(xué)表現(xiàn)，板塊貢獻(xiàn)量分析可以找出哪些板塊在特定頻率下對(duì)周圍聲場(chǎng)的輻射。把驅(qū)動(dòng)橋輻射噪聲表面細(xì)分為17個(gè)板塊，如圖11所示。圖12是基于ATV的板塊貢獻(xiàn)量柱狀圖，在1000Hz人耳較敏感的頻率左右，1，2，3，4和10號(hào)板塊貢獻(xiàn)量較大。圖11驅(qū)動(dòng)橋表面板塊細(xì)分圖12驅(qū)動(dòng)橋殼體噪聲板塊貢獻(xiàn)量由于驅(qū)動(dòng)橋前端是鑄造件，工程優(yōu)化成本較高，后端殼體加筋或殼體加厚可行性較高。因此，采用圖6的加筋方式，并增加后端蓋厚度，基于同樣的聲學(xué)分析方法，計(jì)算得到相應(yīng)點(diǎn)1，2，3和4點(diǎn)的聲學(xué)響應(yīng)曲線，如圖13至圖16所示。圖13響應(yīng)點(diǎn)1聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線圖14響應(yīng)點(diǎn)2聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線圖15響應(yīng)點(diǎn)3聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線圖16響應(yīng)點(diǎn)4聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線從圖13至圖16可以看出，殼體增加加強(qiáng)筋后，驅(qū)動(dòng)橋殼體單位激勵(lì)下的噪聲輻射降低了，尤其是在900至1200Hz高頻段。5.實(shí)驗(yàn)分析為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋殼體加筋效果，制作了驅(qū)動(dòng)橋手工焊接樣件，如圖17所示。加強(qiáng)筋加強(qiáng)筋圖17驅(qū)動(dòng)橋殼體加筋在整車狀態(tài)下進(jìn)行近場(chǎng)振動(dòng)噪聲NVH測(cè)試。在后橋殼體上布置振動(dòng)加速度傳感器，在距離驅(qū)動(dòng)橋殼體幾何中心100mm位置布置傳聲器。在WOT工況下，采集驅(qū)動(dòng)橋殼體振動(dòng)加速度和近場(chǎng)噪聲信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行離散傅里葉變換，得到如圖18和圖19所示的振動(dòng)頻譜和噪聲頻譜。圖18后橋殼體振動(dòng)頻譜圖19后橋近場(chǎng)噪聲頻譜圖20驅(qū)動(dòng)橋近場(chǎng)噪聲優(yōu)化前后對(duì)比從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1800rpm至2500rpm，近場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)明顯降低。從后橋近場(chǎng)噪聲兩種狀態(tài)下的振動(dòng)和噪聲頻譜可以看出，加筋后的殼體，在900和1200Hz左右振動(dòng)幅值降低比較明顯，在900到1200Hz的區(qū)間，噪聲峰值都有所抑制，在一定程度上降低了后橋高頻噪聲。6.結(jié)論本文利用有限元法計(jì)算了驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法找出提高模態(tài)頻率和模態(tài)密度的方法，并用ATV法計(jì)算出后橋在單位激勵(lì)下的聲學(xué)響應(yīng)，在工程上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（1）驅(qū)動(dòng)橋殼體模態(tài)頻率較低，加筋后，殼體模態(tài)頻率平均提高20Hz；（2）拓?fù)鋬?yōu)化分析得出殼體加筋位置，采用這種優(yōu)化方法，可以提高后橋模態(tài)，并能減少模態(tài)密度；（3）采用基于邊界元的ATV法，計(jì)算出后橋輻射噪聲，加筋后，輻射噪聲減小，對(duì)應(yīng)頻率升高；（4）板塊貢獻(xiàn)量分析得出，驅(qū)動(dòng)橋1，2，3，4和10號(hào)板塊在1000Hz左右貢獻(xiàn)量較大；（5）實(shí)驗(yàn)分析得出，驅(qū)動(dòng)橋殼體加筋，后端蓋加厚，對(duì)殼體噪聲輻射有明顯抑制作用。參考文獻(xiàn)1DavidP.SchankinandZhaohuiSun.IntegrationofIndependentFrontAxlesforGearMeshEnergy[J].PaperSAE2007-01-2240.2DanRybergandHamidMir.Develo