驅動橋振動噪聲的仿真與試驗研究

尹華斌 陳作云

摘 要：預測驅動橋的振動和噪音，首先建造一個整體有限元模型的驅動橋，著重考慮雙曲面齒輪副接觸的設置和軸承的簡化，仿真得到橋殼表面的振動;再建立橋殼輻射噪聲的邊界元模型，利用仿真得到的橋殼振動數據來預測輻射噪聲;最后對驅動橋的振動和噪聲進行試驗臺試驗。結論：基于有限元模型和驅動橋邊界模型可以預測振動噪聲。

關鍵詞：重車驅動橋;振動噪聲;振動位置

1 前言

驅動橋是汽車傳動系統振動噪聲的主要來源之一，一直是驅動橋開發和設計中要考慮的重要問題。因此，國內外研究人員研究了驅動橋振動噪聲的產生機制和降噪技術。

2 驅動橋振動噪聲概述

2.1 驅動橋振動噪聲產生機理

驅動橋主、被動齒輪依靠輪齒共軛曲面間的相互作用來傳遞動力及改變動力傳遞方向，在這個過程中，當傳輸系統受到內部和外部激勵的刺激時，就會產生振動和噪聲。驅動橋準雙曲面齒輪系統的內部激勵主要由嚙合齒嚙合間隙及嚙合齒相互嚙合狀態的變化、齒輪系統誤差及齒側間隙等因素引起，一般分為齒輪時變嚙合剛度激勵、齒輪系統誤差激勵和齒輪嚙合沖擊激勵。外部激勵主要為發動機曲軸質量偏心及傳動軸十字萬向節引起的驅動橋主動齒輪輸入轉矩及轉速波動、路面阻力變化引起的負載波動等。內外激勵的存在在嚙合過程中對齒輪系統產生動態沖擊，不僅在驅動橋齒輪系統和驅動橋殼體中產生動態振動響應，而且在驅動橋中產生噪聲。

2.2 驅動橋振動噪聲傳遞路徑分析

驅動橋噪聲是通過驅動橋的機械結構過濾內部齒輪得到的噪聲。換句話說，驅動橋噪聲的光譜特征是由齒輪的沖擊和傳輸路徑決定的。因此，驅動橋機構的頻率特性對驅動橋噪聲的影響巨大。

3 驅動橋總成有限元建模

3.1 網格劃分

Hypermesh軟件用于對驅動橋進行網格劃分。在網格劃分中，既要控制網格的質量，又要控制網格的數量。驅動橋齒輪、軸承等關鍵部件采用六面體元件，保證雅可比系數大于0.7;對于主減速器殼體等復雜部分件，為四面體單元。驅動橋裝配網格總量為70萬個，其中20萬個為準雙曲面齒輪網格。

3.2 有限元模型前處理與求解

將劃分后的網格保存為INP格式，導入ABAQUS軟件，定義材料性能、邊界條件、荷載、分析步驟等進行模擬分析。ABAQUS軟件在解決接觸和碰撞等非線性問題方面具有良好的收斂性。采用隱式動態分析步驟，對驅動橋在運行過程中的動態行為進行了仿真和分析。

3.3 仿真結果分析

利用瞬態邊界元模塊仿真分析橋殼的輻射聲場。可得，噪聲從橋殼內部向外輻射，橋殼后蓋位置最明顯;距離橋殼表面越近，噪聲越大。噪聲值可以在聲場的任何位置提取，并與測試值進行比較。橋后引擎蓋的振動最大。主變速箱小齒輪的外部位置;鋼板彈簧閥座的固定方式使振動最小。

4 驅動橋振動噪聲臺架試驗

4.1 試驗目的

在驅動橋上進行了試驗臺試驗，研究了不同工況下整個驅動橋的振動和噪聲特性。將計算結果與有限元和邊界有限元模擬結果進行比較，為改善驅動橋振動和噪聲提供參考。

4.2 傳感器布置

為了防止外部噪聲（特別是發動機噪聲）影響試驗結果，后橋噪聲試驗通常在暗室中進行。然而，由于試驗條件的限制，無法提供標準的消聲室。本文中利用隔吸聲材料搭建“消聲室”，以隔絕外界噪聲。內層是撞擊坑的海綿，吸收噪聲。“消聲室”的所有開口均不受聚苯乙烯泡沫的影響，以防止噪聲泄漏。在測試前，三個電機在沒有后輪的情況下旋轉，以測試消聲空間內外的聲壓。結果表明，這兩個值之間的差值約為8dB（A），可以認為暗室有效地隔離了外部噪聲。測試設備主要包括Burkee系統、聲振動信號采集LMS系統、霍爾速度傳感器、GRAS放大器和振動加速PCB傳感器。

4.3 試驗工況

所設計的驅動橋安裝在國產專用商用車上，并配備前后驅動裝置。發動機是一個四缸直列發動機。滿載質量是45000KG;主減速器速比是4.625;車輪滾動半徑是540mm。

5 試驗與仿真結果

5.1 試驗結果

本文中所研究的后橋主減速器小齒輪的齒數為9，小齒輪每轉動一圈，產生9次嚙合沖擊，即后橋主減速器齒輪的齒頻為9階，2階齒頻為18階。可以得出，后橋的9階和18階振動噪聲較明顯。此外，在階次追蹤圖上還存在其它階次，可能與傳動軸的安裝誤差和電機激勵等因素有關。因為驅動橋噪聲主要來自于雙曲面齒輪的嚙合激勵，所以本文中只考慮齒輪激勵。根據試驗結果，橋殼表面振動幅值由大到小依次為橋殼后蓋、小齒輪外軸承、半軸軸承座和主減速器殼上方，說明驅動橋的有限元動態仿真結果可信。

5.2 仿真結果

對不同轉速下驅動橋發出的噪聲進行了仿真，并與試驗結果進行了比較。可以看出，模擬和測試的噪聲值隨著速度的增加而逐漸增加。當轉速低于800r/min時，仿真值低于試驗值，因為仿真時只考慮橋殼輻射噪聲，試驗值則包含了齒輪和軸承的空氣傳播噪聲和背景噪聲;它們的峰值噪聲都在1500r/min左右。綜上所述，聲場仿真模型符合試驗值的總體變化趨勢。若是考慮到測試誤差，可以認為基于有限元模型和邊界元模型的輻射噪聲場預測是準確的。

6 結束語

驅動橋噪聲是影響商用車性能的一個重要因素。驅動橋噪聲的優缺點主要在于其光譜特性，即音色。噪聲頻譜特征由主軸齒輪沖擊和驅動橋頻率行為確定;主軸的嘯叫聲是由主軸結構共振引起的，主軸結構共振是由主變速箱的沖擊引起的。綜上所述，通過優化主變速箱齒輪對齒面參數，降低沖擊和傳動誤差，有效降低驅動橋噪聲。

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