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        某變速器箱體噪聲傳遞函數(shù)分析

        2022-10-12 08:32:06余磊孫章棟張楠張明楊
        關(guān)鍵詞:聲壓箱體變速器

        余磊,孫章棟,2,張楠,張明楊

        (1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖北 十堰 442002;2.汽車動力傳動與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 十堰 442002)

        變速器箱體的激勵主要是汽車電動機(jī)動力傳輸?shù)阶兯倨鬏斎胼S帶來的激勵以及齒輪嚙合傳動時(shí)齒輪副發(fā)生的嚙合振動。若箱體振動的頻率與變速器箱體某階固有頻率接近,會發(fā)生共振現(xiàn)象,使得變速器箱體產(chǎn)生噪聲輻射,而電動汽車變速器的振動噪聲主要通過箱體輻射到外界,故有必要對箱體開展噪聲傳遞函數(shù)(noise transfer function,NTF)分析。如果變速器箱體的輻射噪聲不滿足要求,則會影響變速器箱體的NVH 設(shè)計(jì)。國內(nèi)外很多學(xué)者對箱體的振動噪聲問題進(jìn)行了研究。馬維金等對某變速箱擋位的升速過程、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及降速過程進(jìn)行振動與噪聲測試,并對振動信號進(jìn)行時(shí)域和頻域分析[1];張赟等討論了模態(tài)的應(yīng)變能分布情況,研究了加強(qiáng)筋、殼體加厚和材料參數(shù)對減速器輻射效率的影響[2];于柱春等對變速器箱體進(jìn)行了噪聲輻射仿真,并作了簡要分析[3];張?jiān)趶?qiáng)等證實(shí)了噪聲輻射分析辦法的可行性,且采納優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)的方法來降低減速器輻射噪聲[4];張?zhí)炷康忍接懥耸`阻尼層和吸聲隔聲結(jié)構(gòu)對箱體噪聲特性的影響,通過控制箱體阻振質(zhì)量、優(yōu)化約束阻尼結(jié)構(gòu)以及吸聲材料結(jié)構(gòu)剖析了箱體處理前后的噪聲特性[5];Wang E 等對車身面板進(jìn)行了優(yōu)化,降低了車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲,利用車身面板貢獻(xiàn)分析方法控制了車內(nèi)相應(yīng)結(jié)構(gòu)噪聲[6];Zhang J M等探討了工作負(fù)載、箱體嚙合剛度和齒輪誤差對齒輪箱噪聲輻射的影響[7]。上述文獻(xiàn)中大多進(jìn)行變速器箱體的噪聲測試,而通過齒輪誤差變化來分析變速器箱體的噪聲輻射、關(guān)于變速器箱體自身結(jié)構(gòu)和局部剛度對箱體輻射外聲場的影響研究較少。文中將有限元箱體模態(tài)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab中,建立箱體NTF分析模型并進(jìn)行分析,基于聲壓值超過限定值情況下特定頻率對應(yīng)的特征模態(tài),確定優(yōu)化區(qū)域,對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到降低噪聲輻射的目的。

        1 箱體NTF建模

        1.1 噪聲傳遞函數(shù)定義

        變速器箱體聲學(xué)模型的聲學(xué)靈敏度[8]NTF,又稱為噪聲傳遞函數(shù),是指其單位力作用下的響應(yīng)點(diǎn)(聲場測試點(diǎn))聲壓大小,詳細(xì)定義為

        式中:P為變速器箱體響應(yīng)點(diǎn)聲壓值;F為激勵點(diǎn)的單位載荷。變速器箱體在設(shè)計(jì)的過程中,箱體的NTF值可以表征輻射噪聲水平,這是權(quán)衡變速器箱體NVH 性能[9]重要的依據(jù)之一。而NTF 分析中的關(guān)鍵是箱體模態(tài)分析。

        1.2 模態(tài)分析

        簡化處理螺紋孔、油孔、視孔蓋等對分析結(jié)果影響不大的部件,簡化后變速器箱體總質(zhì)量為19.42 kg,長度為500 mm,寬度為300 mm,高度為260 mm。依據(jù)網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)(表1),選用四面體單元,尺寸為5 mm,經(jīng)過反復(fù)迭代優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量后,劃分網(wǎng)格得到61 031 個(gè)節(jié)點(diǎn)和241 124 個(gè)單元。對輸入端螺栓孔建立固定約束來約束6 個(gè)自由度。在螺栓座孔處創(chuàng)建剛性連接,模擬左右2個(gè)箱體的螺栓連接。變速器箱體采用壓鑄鋁合金(YL113)材料,材料屬性見表2。

        表1 網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量參數(shù)

        表2 變速器箱體材料屬性

        模態(tài)相對變形量位置如圖1所示,箱體的固有頻率如表3 所示。由圖1 和表3 可知,變速器箱體的振型較大處都在螺栓孔處附近,且有明顯的左右箱體分離的趨勢。對比各階模態(tài)的振型,第6階模態(tài)左箱體中間軸附近螺栓孔處的相對變形量最大,即第6階模態(tài)為產(chǎn)生共振的特征模態(tài)。

        圖1 變速器箱體前6階振型圖

        表3 變速器箱體前6階模態(tài)固有頻率 Hz

        1.3 NTF建模

        采用直接邊界元法對變速器箱體進(jìn)行NTF 分析,將模態(tài)分析導(dǎo)出的op2 文件和包絡(luò)面網(wǎng)格bdf文件分別導(dǎo)入LMS Virtual.Lab 的Acoustic Harmonic BEM 中,包絡(luò)面網(wǎng)格最大尺寸為14.2 mm,以變速器箱體為中心設(shè)置距箱體1 m 的正方體場點(diǎn)網(wǎng)格,在距箱體表面1 m處設(shè)置右測點(diǎn)、左測點(diǎn)、上測點(diǎn)及前測點(diǎn),在箱體下面設(shè)置地面反射面,在箱體軸承孔座左右設(shè)置6 個(gè)載荷輸入點(diǎn),輸入端約束x,y,z方向上的位移。[10-11]分析建模界面見圖2a。將箱體的聲學(xué)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格耦合后直接進(jìn)行NTF分析,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)將分析頻率設(shè)置為0~4 kHz,步長設(shè)置為10 Hz,將全部模態(tài)粘性阻尼設(shè)為4%[12],軸承孔座處的激勵和約束如圖2b所示。

        2 箱體NTF分析

        2.1 優(yōu)化前箱體NTF分析

        箱體基于模態(tài)的NTF計(jì)算完成后,進(jìn)入Transfer Function Display界面,4個(gè)場點(diǎn)的NTF函數(shù)分析曲線見圖3。由圖3a~b可知,箱體左測點(diǎn)和右測點(diǎn)NTF 分析結(jié)果中聲壓均小于60 dB,在限定安全范圍內(nèi)。由圖3c~d 可知,箱體前測點(diǎn)和上測點(diǎn)聲壓有超過限定值的特殊頻率,為1621 Hz。前測點(diǎn)特殊頻率下聲壓達(dá)到63 dB,上測點(diǎn)聲壓達(dá)到68 dB。因此變速器箱體在NTF 分析上有一定的噪聲優(yōu)化空間,第6 階模態(tài)是最接近所需要優(yōu)化的模態(tài),通過改變螺栓孔附近的結(jié)構(gòu)來改變局部結(jié)構(gòu)剛度[13],對箱體進(jìn)行基于噪聲輻射的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

        圖3 優(yōu)化前變速器箱體4個(gè)場點(diǎn)NTF曲線圖

        2.2 優(yōu)化后箱體NTF分析

        考慮第6 階模態(tài)螺栓孔處附近的振動比較集中,在Solidworks 中對箱體的局部剛度進(jìn)行修正:1)重新布局箱體加強(qiáng)筋,并擴(kuò)展到螺栓處;2)將凸緣部分做成凸臺。優(yōu)化后變速器箱體模型見圖4。

        圖4 優(yōu)化后變速器箱體模型

        將優(yōu)化后箱體在1600 Hz 附近的模態(tài)進(jìn)行分析,如圖5所示,固有頻率提高到1790.9 Hz,最大振動相對位移量為32.79,小于優(yōu)化前振動相對位移量42.15,左右箱體相比于優(yōu)化前沒有明顯的分離。

        圖5 優(yōu)化后變速器箱體第7階模態(tài)

        將優(yōu)化后箱體模態(tài)導(dǎo)入軟件,得到6個(gè)軸承孔到距箱體表面1 m 處左測點(diǎn)、右測點(diǎn)、上測點(diǎn)及前測點(diǎn)的NTF 函數(shù)分析曲線(圖6)。由圖6 可知,4個(gè)場點(diǎn)NTF分析結(jié)果均處于安全值60 dB之下,此時(shí)變速器箱體振動產(chǎn)生的噪聲在限定值之內(nèi)。通過優(yōu)化箱體螺栓孔處附近的結(jié)構(gòu)達(dá)到了優(yōu)化上測點(diǎn)和前測點(diǎn)特征模態(tài)下輻射噪聲的目標(biāo)。

        圖6 優(yōu)化后變速器箱體4個(gè)場點(diǎn)NTF曲線圖

        3 結(jié)論

        以某電動汽車變速器箱體的噪聲傳遞函數(shù)為對象,基于箱體模態(tài)在LMS Virtual.Lab中建立噪聲傳遞函數(shù)分析模型,對軸承孔到距離箱體表面1 m處左測點(diǎn)、右測點(diǎn)、上測點(diǎn)及前測點(diǎn)進(jìn)行NTF 分析。優(yōu)化前箱體在前側(cè)點(diǎn)和上測點(diǎn)的某頻率與有限元模態(tài)吻合,其頻率下的聲壓值超過限定值,存在一定的噪聲輻射優(yōu)化空間。改變箱體螺栓座孔附近加強(qiáng)筋的分布,將凸緣部分做成凸臺,減小了相應(yīng)頻率振型的振動大小,相比優(yōu)化前箱體前測點(diǎn)和上測點(diǎn)的NTF分析結(jié)果,優(yōu)化后降噪效果明顯。

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