黎瑞平　汪輝　黃振之

摘 要：本文針對某前置后驅(qū)車型在90～100km/h行駛過程中的齒輪噪聲問題，利用MASTA分析軟件，搭建了完整的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析模型。分析結(jié)果表明，90～100km/h對應(yīng)的工況下主減速器主齒軸承振動(dòng)加速度幅值偏高。對后橋主減速器殼體的剛度、支撐軸承的剛度、齒輪參數(shù)和后橋橫拉桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化后，齒輪傳遞誤差明顯減小，主齒軸承振動(dòng)加速度幅值明顯降低。最后通過實(shí)車驗(yàn)證，90～100km/h行駛過程中的齒輪噪聲明顯降低，成功解決了該車型后橋齒輪噪聲問題。

關(guān)鍵詞：后橋總成 齒輪噪聲 傳遞誤差 振動(dòng)加速度

Noise Optimization of Rear Axle Gear of a Certain Model

Li Ruiping，Wang Hui，Huang Zhenzhi

Abstract：In this paper， aiming at the gear noise problem of a front-rear-drive vehicle in the process of driving at 90～100km/h， a complete powertrain simulation analysis model is built using MASTA analysis software. The analysis results show that the vibration acceleration amplitude of the main gear bearing of the main reducer is relatively high under the corresponding working conditions of 90～100km/h. After the design and optimization of the stiffness of the rear axle main reducer housing， the stiffness of the support bearing， the gear parameters and the structure of the rear axle tie rod， the gear transmission error is significantly reduced， and the vibration acceleration amplitude of the main tooth bearing is significantly reduced. Finally， through the actual vehicle verification， the gear noise during the 90～100km/h driving process is significantly reduced， and the problem of the rear axle gear noise of this model is successfully solved.

Key words：rear axle assembly， gear noise， transmission error， vibration acceleration

1 引言

隨著人們對汽車的認(rèn)識(shí)越來越深入，汽車噪聲尤其是傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲越來越成為大家的關(guān)注點(diǎn)。后驅(qū)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要由離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、后橋組成，在動(dòng)力傳遞過程中，齒輪是使用最普遍的零件[1]。

汽車后橋主要由一對螺傘齒輪工作來實(shí)現(xiàn)降速增扭的目的。車輛在行駛過程中，齒輪受到來自于發(fā)動(dòng)機(jī)及輪胎振動(dòng)激勵(lì)和殼體、軸承及齒輪本身變形的影響，使得齒輪偏離最佳嚙合區(qū)域[2]。嚙合的區(qū)域不合理會(huì)導(dǎo)致齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不平穩(wěn)，振動(dòng)幅度加劇，產(chǎn)生令人難受的中高頻嘯叫噪聲。

齒輪副的嘯叫作為傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲的主要來源，部分學(xué)者和技術(shù)人員在降低齒輪嘯叫上進(jìn)行了深入研究。錢汪燾分析了后橋噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，并建立了后橋聲學(xué)仿真分析模型[2]。羅文欣對傳動(dòng)軸-后橋總成系統(tǒng)耦合振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并基于ADAMS建立了仿真分析模型[3]。王炳善利用MASTA軟件分析殼體振動(dòng)，通過優(yōu)化齒輪重合度，成功降低了變速箱三擋齒輪嘯叫噪聲[4]。徐海軍等使用MASTA軟件建立了傳動(dòng)軸-后橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析模型，根據(jù)仿真分析結(jié)果對齒輪參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了降低齒輪傳遞誤差和降低嘯叫噪聲的目的[5]。

本文在徐海軍等人研究的基礎(chǔ)上，利用MASTA分析軟件搭建了完整的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析模型。通過對殼體、軸承、齒輪、橫拉桿、傳動(dòng)軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，并制作樣件進(jìn)行了實(shí)車測試，后橋噪聲得到明顯改善。

2 后橋噪聲傳遞路徑分析

整車動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過離合器、變速箱、傳動(dòng)軸傳遞給后橋，后橋齒輪在受載嚙合過程中，齒輪振動(dòng)被放大。齒輪振動(dòng)通過各連接部件傳遞給車身傳至車內(nèi)，產(chǎn)生人耳能夠感知的嘯叫噪聲。傳遞路徑如圖1所示。

通過優(yōu)化后橋結(jié)構(gòu)可減小激勵(lì)源振動(dòng)幅值，優(yōu)化傳動(dòng)軸及懸掛部件結(jié)構(gòu)可衰減激勵(lì)源向車身的傳遞，從而達(dá)到降低后橋噪聲的效果。

3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)分析

車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一種多參數(shù)激勵(lì)、非線性的彈性系統(tǒng)[6]。在MASTA中建立由發(fā)動(dòng)機(jī)總成、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、后橋、懸掛系統(tǒng)及車輪組成的完整動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)分析模型，如圖2所示。

經(jīng)計(jì)算，車輛在90～100km/h行駛時(shí)，對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2850～3200rpm。MASTA分析模型相關(guān)輸入?yún)?shù)如表1所示。

對模型按輸入?yún)?shù)進(jìn)行加載分析，加速過程中，主齒軸承的在540Hz～640Hz出現(xiàn)振動(dòng)位移響應(yīng)峰值，如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，該頻率與整車在90～100km/h行駛時(shí)對應(yīng)的齒輪噪聲頻率相吻合。

在MASTA模型中設(shè)置不同的齒輪參數(shù)，主齒軸承的振動(dòng)位移響應(yīng)頻率一致。提取主齒軸承振動(dòng)加速度，其幅值略有不同，因此主齒軸承振動(dòng)加速度的幅值可用于表征齒輪噪聲大小。

通過不同的優(yōu)化方案組合分析，總結(jié)出影響主齒軸承振動(dòng)加速度幅值的主要因素為主減殼、差殼和軸承的支撐剛度不足，齒輪傳遞誤差設(shè)計(jì)過大，另外傳遞路徑上有共振現(xiàn)象存在也是比較重要的影響因素。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 殼體剛度優(yōu)化

對主減速器殼體上的加強(qiáng)筋進(jìn)行重新優(yōu)化。將加強(qiáng)筋厚度由5mm調(diào)整為6mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)重新布置加強(qiáng)筋的方向，由水平橫向布置改為沿主齒中心輻射布置，并在水平方向增加一條加強(qiáng)筋。如圖4a-b所示。

利用ABAQUS軟件，對優(yōu)化前后的殼體剛度進(jìn)行CAE分析，如圖5a-b所示。兩個(gè)殼體優(yōu)化前后徑向剛度詳細(xì)對比結(jié)果如表2所示。

4.2 軸承剛度優(yōu)化

通過對軸承滾子、滾道及擋邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升軸承軸向及徑向剛度，優(yōu)化前后徑向剛度如圖6所示。并加大軸承軸向預(yù)緊力，減小齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的竄動(dòng)量。

4.3 齒輪參數(shù)優(yōu)化

通過調(diào)整齒輪相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化齒輪接觸區(qū)，減小齒輪傳遞誤差。優(yōu)化后，齒輪接觸區(qū)面積相對優(yōu)化之前增大40%，見圖7a-b。齒輪設(shè)計(jì)傳遞誤差降低50%，見圖8a-b。

4.4 橫拉桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用ABAQUS軟件對橫拉桿進(jìn)行模態(tài)分析，后橋橫拉桿Z方向的彎曲模態(tài)與后橋X方向的彎曲模態(tài)接近。兩者易發(fā)生共振，后橋齒輪噪聲將被放大后傳遞給車身，并通過車身將噪聲傳到車內(nèi)。將橫拉桿橫截面由U型優(yōu)化設(shè)計(jì)成O型，使得橫拉桿與后橋模態(tài)錯(cuò)開，避免發(fā)生共振，優(yōu)化前后模態(tài)分布如表3所示。

5 優(yōu)化前后分析結(jié)果

利用建立的MASTA動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)分析模型對優(yōu)化前后主齒軸承振動(dòng)加速度幅值及齒輪傳遞誤差進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。其中振動(dòng)加速度峰值由168m/s2降低至24 m/s2，降幅85.7%，詳見圖12a-b;齒輪傳遞誤差由126μRad下降至74μRad，降幅41.3%，詳見圖13a-b。

6 實(shí)車測試

根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，制作樣件進(jìn)行實(shí)車測試。在整車后排布置聲學(xué)麥克風(fēng)，利用LMS設(shè)備采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500～4000r/min全油門加速工況下的車內(nèi)噪聲，通過Test.Lab軟件提取后橋齒輪階次噪聲。

測試結(jié)果表明，優(yōu)化前整車在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3120r/min時(shí)出現(xiàn)噪聲峰值，最大分貝值為67.64dB（A），超出目標(biāo)線。優(yōu)化后全轉(zhuǎn)速區(qū)間無噪聲峰值出現(xiàn)，整體噪聲全部低于目標(biāo)線，達(dá)到了優(yōu)化效果，如圖11a-b所示。

7 結(jié)語

本文在對后橋噪聲傳遞路徑的分析基礎(chǔ)上，建立了完整的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)MASTA仿真分析模型。基于大量的仿真分析結(jié)果，鎖定了影響后橋噪聲的幾個(gè)關(guān)鍵因素，通過對關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，后橋噪聲問題得到明顯改善，為相關(guān)NVH問題的解決提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭國民，余波，馬小英.動(dòng)力總成NVH分析中齒輪嚙合特性研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2010，23（06）：681-686.

[2]錢汪燾.汽車驅(qū)動(dòng)后橋NVH分析及優(yōu)化[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[3]羅文欣.汽車傳動(dòng)軸與后橋振動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[4]王炳善.基于MASTA軟件的齒輪嘯叫分析與解決方法[J].機(jī)械工程師，2020，（03）：113-115.

[5]徐海軍，李海建，劉峰，林松.后橋總成嘯叫噪聲問題分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].設(shè)計(jì)研究，2020，（9）：134-137.

[6]程燕.從齒輪傳遞精度對車輛傳動(dòng)系NVH的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，（3）：230-232.