朱華 陳安宇 范正偉

（蚌埠汽車士官學(xué)校裝備保障系安徽蚌埠233011）

齒輪變速器箱體降噪優(yōu)化設(shè)計

朱華 陳安宇 范正偉

（蚌埠汽車士官學(xué)校裝備保障系安徽蚌埠233011）

建立某型齒輪變速器箱體三維模型的基礎(chǔ)上，采用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分，用直接邊界元方法建立了箱體的噪聲預(yù)測模型。將有限元計算得到的箱體表面振動數(shù)據(jù)作為振動計算的邊界條件，用直接邊界元法對噪聲聲壓進行了計算，以邊界元計算的結(jié)果為基礎(chǔ)，對變速器箱體進行了降噪優(yōu)化設(shè)計。

變速器箱體噪聲優(yōu)化設(shè)計

引言

齒輪變速器的噪聲是汽車噪聲的主要噪聲源之一。箱體是整個變速器噪聲的最主要部件，占整機輻射噪聲的90%以上。準(zhǔn)確模擬變速箱的工況并研究箱體在激勵作用下的聲輻射，對實現(xiàn)降低汽車噪聲的目的具有非?，F(xiàn)實的意義。

本文通過對齒輪變速器進行實體建模，采用多體動力學(xué)仿真的方法，對箱體所受到的激勵載荷進行計算，分析預(yù)測了箱體的工作載荷，并在有限元模型中對箱體的響應(yīng)進行分析，通過邊界元計算得到聲場的分布，對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)重新進行計算，與初始模型的噪聲進行對比，達到了明顯的降噪目的。該方法可以用于對已有產(chǎn)品進行改進設(shè)計，也可以在設(shè)計的初期實時地進行振動噪聲預(yù)估。

1 變速箱體有限元模型

1.1 變速箱體三維模型

1）變速器動力輸入軸齒輪齒數(shù)為15，分度圓直徑為82.5 mm；

2）中間軸兩端固定在殼體上的軸承孔內(nèi)，中間軸常嚙合傳動齒輪，左端齒輪齒數(shù)為20，分度圓直徑為110 mm，右端齒輪齒數(shù)為15，分度圓直徑為82.5 mm；輸出軸齒輪齒數(shù)為21，分度圓直徑為115.5 mm；

3）殼體上主要有四個軸承孔以及殼體頂蓋。在不影響載荷分析結(jié)果的前提下，對變速器進行一定的簡化，采用Pro/E建立變速箱體的三維模型如圖1所示，變速箱裝配的三維模型如圖2所示。

圖1 變速器箱體三維模型

圖2 變速器裝配圖

1.2 變速箱體網(wǎng)格劃分

在Hypermesh軟件中對箱體三維實體模型進行網(wǎng)格劃分，2D網(wǎng)格為trias三角形，單元尺寸最大允許設(shè)為5 mm，為了使其能準(zhǔn)確體現(xiàn)箱體的特征，在網(wǎng)格劃分的過程中，選擇手動為每個面添加網(wǎng)格。

凸臺和加強筋是有限元網(wǎng)格劃分的重點，網(wǎng)格必須充分表現(xiàn)出這些部位的基本特征，為了更好地了解箱體各部位的振動變形，使分析結(jié)果更為精確，手動在凸臺、加強筋等處進行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格細(xì)化到可以基本表現(xiàn)出箱體表面的真實情況。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示，包括節(jié)點4281個，有限元單元43348個。

圖3 變速器箱體的網(wǎng)格劃分

2 邊界元模型的建立及聲學(xué)仿真

2.1 邊界元模型的建立

一個完整的聲學(xué)模型應(yīng)包括影響該模型聲學(xué)特性的所有要素，如結(jié)構(gòu)的外表面特征，所受到的載荷，定義的場點等。對整個箱體模型進行評估，通過綜合考慮，本文采用矩形一次單元對箱體的邊界元進行劃分，網(wǎng)格的單元大小小于30 mm。建立箱體的邊界元模型共有單元1976個，該模型可以達到進行高頻聲學(xué)計算的要求。

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2.2 噪聲分析場點網(wǎng)格模型的建立

經(jīng)過邊界元計算可以得到箱體表面的聲壓，但該聲壓不能直接作為箱體振動噪聲的評價指標(biāo)。在SYSNOISE中，需要對箱體周圍建立一個網(wǎng)格模型，對變速器的噪聲進行評估，取距離變速器半徑1 m處的點作為評價的采樣點。

2.3 邊界條件的確定

將ANSYS模型寫成SYSNOISE支持的fre格式，用命令流的方式將結(jié)果導(dǎo)入SYSNOISE中。在通過有限元方法計算得到箱體在載荷激勵作用下振動響應(yīng)的前提下，利用SYSNOISE軟件，將有限元方法計算的頻域振動數(shù)據(jù)作為邊界元計算中的邊界條件，將時域內(nèi)的信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域信號。

2.4 邊界元計算結(jié)果分析

箱體邊界元計算的主要結(jié)果是遠(yuǎn)場輻射聲壓級，從該聲壓級可以看出變速箱體輻射較強的部分，以此為依據(jù)，結(jié)合有限元的分析結(jié)果對箱體進行改進。

取距離變速器半徑1 m處的點作為評價的采樣點，圖4、圖5是變速器箱體1 m處表面聲場的分布圖。由圖可以得出：在同等條件下，若箱體表面較平滑，聲壓相對較大；若箱體表面有凸起等，聲壓會相對較小。箱體兩側(cè)面聲強相對較大，是由于齒輪軸徑向的激勵在箱體的兩側(cè)面表現(xiàn)得最為明顯，而箱體前端聲強相對較小，是因為此處距離激勵點較遠(yuǎn)，所受的影響比較小。實際仿真的結(jié)果與經(jīng)驗預(yù)測和前面有限元分析一致，表明該仿真是真實可靠的。

圖4 580Hz表面聲壓分布情況

圖5 1380Hz表面聲壓分布情況

3 箱體低噪聲優(yōu)化設(shè)計

從前面的分析可以看出，該變速器箱體的結(jié)構(gòu)特點是上部材料較少，剛度較小。箱體的右側(cè)有較多的安裝孔，孔對箱體結(jié)構(gòu)強度的影響比較大，導(dǎo)致剛度較小，容易導(dǎo)致箱體發(fā)生彎曲產(chǎn)生右部的擺動。另外，由于箱體軸承處所受到的激勵較大，尤其是第二軸的軸承處承受的載荷很大，而箱體的厚度又相對較薄，導(dǎo)致該位置的變形較大，在齒輪傳動過程中將產(chǎn)生很大的噪聲。在輸出軸處，由于輸出軸的載荷最大，因此齒輪箱體的輸出軸部位需要加強。

為了提高原箱體的整體剛度，需要在滿足箱體強度的前提下，對部分加強筋進行簡化，對需要加強的部位進行加固?？紤]到箱體的扭轉(zhuǎn)和彎曲，將箱體進行如下改進：

1）在箱體的A處設(shè)置加強筋。

2）在箱體內(nèi)壁B處加厚內(nèi)壁，在齒輪軸內(nèi)壁C、D處增設(shè)加強筋，以增大箱體的剛度。

3）在箱蓋接口E處設(shè)加強筋，對F處設(shè)加強筋，兩邊各三個。如圖6所示。

圖6 變速器箱體加強部位示意圖

由于箱體橫向的振動幅度比較大，使得箱體左右兩側(cè)產(chǎn)生較大的噪音。因此，針對兩側(cè)剛度較差的問題，在箱體中間A處加一道長加強筋，環(huán)繞箱體一周，這樣使得橫向和縱向加強筋相互交叉，加固效果更為明顯。由于B處是齒輪的著力點，且此處受力面積小，壓力大，導(dǎo)致該處振動強烈。因此，在B處加大壁厚，使得整體剛度得以提高，限制其在齒輪徑向的振動。

在箱體的變截面處，由于受力方向不同，往往會導(dǎo)致該處應(yīng)力集中和振動較大。因此，分別在底部和頂部設(shè)置加強筋，以提高相交面的剛度。

箱蓋接口E處的振動較強，因此在E處設(shè)置一個過渡，以加強此處的剛度。將箱體改進之后，箱體的重量基本無變化，且對附件的安裝不會產(chǎn)生影響。對改進后的箱體進行模態(tài)分析，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改進前后固有頻率對比Hz

由表1可以看出，箱體改進后，其剛度明顯增強，各階固有頻率均有提高。

4 結(jié)束語

本文在建立變速器箱體三維模型、有限元模型、邊界元模型的基礎(chǔ)上，將多體動力學(xué)計算得到的激勵載荷作為激勵，對變速器箱體進行有限元計算。將有限元計算的結(jié)果作為邊界條件，用直接邊界元法進行計算，得到箱體所存在的薄弱的部位以及振動噪聲較強的位置，進而對箱體進行了強化改進設(shè)計。

應(yīng)用Pro/E、ADAMS、ANSYS、SYSNOISE等軟件，將模態(tài)分析、多體動力學(xué)、有限元和邊界元的計算方法有機地結(jié)合在一起，提出了一種高效，又能滿足一定精度的噪聲預(yù)測方法，對箱體噪聲的控制和預(yù)測具有一定的指導(dǎo)意義。將該方法應(yīng)用到實際產(chǎn)品開發(fā)中，將大大降低成本，提高設(shè)計效率。

1李友真，李彥保，于柱春，等.基于邊界元法的某客車變速器箱體噪聲分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51（9）：52～55

2張斌，褚超美，繆國，等.汽車變速器箱體精準(zhǔn)性優(yōu)化仿真研究[J].計算機仿真，2012，29（8）：331～335

3閔海濤，高娟，馬天飛.汽車變速器箱體結(jié)構(gòu)強度分析與優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程，2012，23（20）：2514～2519

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The Optimization Design of Noise Reduction of Gearbox Housing

Zhu Hua，Chen Anyu，F(xiàn)an Zhengwei
Equipment Support Department，Bengbu Automobile NCO Academy（Bengbu，Anhui，233011，China）

On the basis of three-dimension solid model of gearbox，grid partition is done by using Hypermesh，noise prediction models are built by direct boundary element method，the results of tank surface vibration by finite element method are used as boundary conditions，and sound pressure was calculated by direct boundary element method.Based on the calculated results，the optimization design of noise reduction of the gearbox was carried on.

Gearbox housing，Noise，Optimal design

TK413.47

A

2095-8234（2014）05-0066-03

2014-06-25）

朱華（1977-），男，碩士，工程師，主要從事車輛性能優(yōu)化、車輛試驗技術(shù)及裝備等方面的研究。