043-整体式汽车驱动桥壳体振动噪声优化数值研究

整体式汽车驱动桥壳体振动噪声优化数值研究夏元烽(1,2)，胡成太(1,2)，杨宪武(1,2)，李宏成(1,2)，田雄(1,2)（1.长安汽车工程研究院，重庆401120，2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆401120）【摘要】本文建立了驱动桥壳体有限元模型，分析了驱动桥壳体2000Hz以内的模态密度。运用模态应变能和拓扑优化分析方法，找出驱动桥壳体刚度薄弱区,并通过增加加强筋来减少模态密度。另外，用强迫振动分析计算了单位激励力下的壳体振动响应，并结合边界元和ATV法，计算了驱动桥壳体近场声压级和板块贡献量。，增加加强筋后的壳体辐射噪声得到了有效抑制。最后，利用LMSTest.lab试验测试系统，验证了增加壳体加强筋和后端盖厚度有利于减小驱动桥壳体辐射噪声。【关键词】整体式驱动桥，拓扑优化，ATV，板块贡献量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.前言汽车驱动桥常应用于后驱车和四驱车，位于汽车传动系统的末端，有传递力矩，改变力矩传递方向，实现左右车轮差速的作用。它承受着来自路面和悬架的一切作用力，是汽车中工作条件最恶劣的总成之一。汽车驱动桥由于其工作在恶劣的工况条件下，疲劳耐久性成为众多学者研究的问题之一，然而，随着人们生活水平的提高，驱动桥的NVH性能也成为研究的重点。DavidP.Schankin和ZhaohuiSun采用试验和有限元法分析了独立式驱动桥齿轮啮合能量在不同的工作环境下的传递路径，为控制驱动桥结构声传递提供了一种方法[1]。DanRyberg和HamidMir用实验传递路径分析（TPA）和工作模态分析（RMA）建立了FBS分析模型，对驱动桥齿轮啸叫噪声进行了分析[2]。YuejunE.Lee从驱动桥齿轮啮合力的角度出发，通过减小齿轮啮合力降低齿轮啮合噪声[3]。Sang-KwonLee和Sung-KyuGo采用传递路径找出空气辐射声在驱动桥啸叫噪声中贡献量较大，最后通过调整齿轮齿形减小齿轮传递误差降低啸叫噪声10dB(A)[4]。然而，驱动桥壳体是传递和辐射噪声的重要部件，若桥壳设计不当，一方面在齿轮啮合力作用下壳体发生共振，在传递路径上放大噪声，另一方面，薄壁件刚度弱，容易辐射噪声。本文运用模态分析法，计算出驱动桥自由模态，并用模态应变能找出薄弱点，同时结合拓扑优化方法找出驱动桥壳体加筋位置。采用BEM-ATV计算驱动桥声学响应，并用板块贡献量法找到在特定频率下，驱动桥壳体对辐射噪声的贡献量，结合NVH实验分析，论证了壳体增加加强筋和增加端盖厚度对驱动桥辐射噪声的抑制作用。2.驱动桥模态分析整体式驱动桥由前桥壳、后桥壳、后端盖、差速器、输入轴等部件组成，如图1所示。前桥壳一般是铸造而成，厚重结实，刚度足；后端盖和后桥壳一般是钣金冲压件，之后焊接而成整体式桥壳，壳体较薄，刚度弱。在恶劣的工况下，后桥辐射噪声较明显，有齿轮啸叫声和敲击声等。控制后桥辐射噪声，一方面控制准双曲面齿轮齿形，减小齿轮传递误差；另一方面，增加壳体刚度，减小由壳体共振而放大噪声。后后桥壳后端盖前桥壳差速器和主减速器半轴输入轴图1整体式驱动桥组成由于驱动桥桥壳是承受齿轮啮合力载荷的关键，齿轮啮合振动与噪声主要通过桥壳传递至车内，因此忽略桥壳内齿轮、轴承和半轴的影响，对桥壳进行定性的分析以优化驱动桥齿轮噪声。驱动桥的模态固有属性决定了驱动桥在任意激励下振动噪声的表现形态，采用有限元法对驱动桥壳体网格离散化，用Lanczos法[5]求解由刚度矩阵和质量矩阵组成的动力学方程的特征值[6]。QUOTEK-λMδ=0其中为刚度矩阵，QUOTEM为质量矩阵，为特征矢量，为特征值。如表1所示，第一和第三个特征值所对应的振型如图2所示。（a）一阶弯曲模态（110Hz）二阶弯曲模态（347Hz）一阶扭转模态（750Hz）图2驱动桥弯曲模态振型模态应变能反应模态应力比较集中的位置，也是结构刚度在某一频率下较弱的地方，2000Hz以内模态应变能和模态应力多集中于图3所在位置。图3模态应变能（左）和模态应力（右）表1驱动桥2000Hz内模态频率分布阶数频率（Hz）振型描述属性1110纵向一阶弯曲整体模态2163垂向一阶弯曲3347纵向二阶弯曲4421垂向二阶弯曲5648主减速器前壳体横向摆动局部模态6702纵向四阶弯曲整体模态7750一阶扭转整体模态8809二阶扭转............201972主减速器后桥壳体呼吸模态局部模态由于整车啸叫噪声主要分布在2000Hz以内，因此分析计算2000Hz以内的模态频率。从图2和表1得出，驱动桥一阶弯曲模态偏低，模态密度较高，且主减速器后壳体呈大平面设计，准双曲面齿轮啮合噪声容易从壳体表面辐射出来。控制驱动桥壳的辐射噪声，一方面控制模态密度，另一方面控制板块声辐射。对结构的优化方法有拓扑优化，形貌优化，尺寸优化等，对于体网格，常用拓扑优化。3.驱动桥拓扑优化分析驱动桥一阶整体弯曲模态频率较低，提高一阶弯曲模态频率，可以相应的提高其他各阶的模态频率，有利于驱动桥振动噪声的控制。拓扑优化是一种基于密度法的优化方法，设计变量在满足约束方程的取值范围内，使设计目标达到最大或最小，可以表示为[7]：目标方程：QUOTEmaxf=G（α1，α2，…，α约束方程：QUOTEμ1（α1，α2，…设计变量：QUOTEm1≤α1≤n1m2≤其中为目标，为约束方程，为设计变量，和为设计变量取值范围。驱动桥拓扑优化设计中，优化目标为一阶模态频率最大，设计变量为单元密度，约束为体积分数上限。此驱动桥主减速器前桥壳采用加筋设计，刚度较大，不作为优化区域，后桥壳较薄，属于薄弱区，如图4所示。采用OptiStruct对该模型进行拓扑优化分析，经过25步迭代计算，在满足体积分数上限50%的约束条件下，得到如图5所示的优化结果。优化区优化区非优化区（黑色区）图4驱动桥优化分析模型图5驱动桥拓扑优化密度云图图5的拓扑优化结果显示，在壳体上对应密度云图上红色区域表示加筋能够提高驱动桥一阶弯曲模态，同时也相应提高了其他模态阶次的频率。由于工艺和其他的安装位置的限制，采用如图6所示的加筋方式，同时对其进行模态分析，结果如表2所示。图6驱动桥壳体加筋方式表2壳体加筋驱动桥模态频率分析阶数频率（Hz）描述属性1133纵向一阶弯曲整体模态2176垂向一阶弯曲3387纵向二阶弯曲4436垂向二阶弯曲5771纵向三阶弯曲6827主减速器前壳体横向摆动局部模态7837一阶扭转整体模态8893二阶扭转............171814主减速器前壳体纵向振动局部模态按照拓扑优化分析，对驱动桥壳体加筋后的模态分析显示，加筋后，2000Hz以内的模态密度降低至17个，减少了一些局部模态，同时，相对应的驱动桥整体模态频率有较大的提高。4.基于ATV的驱动桥振动噪声分析计算辐射噪声，常使用声学传递矢量法（ATV），它是系统的固有属性，在结构法线方向的振动速度和外围场点声压之间建立一种线性关系。这种线性关系如下[8]：QUOTEp=ATV(ω)Tvn(ω)其中QUOTEATV为声学传递矢量，QUOTEvn为结构表面法向振动速度，为角频率。由声压与结构表面振动速度的关系可得，计算结构振动是计算声学响应的基础。4.1强迫振动响应分析驱动桥在随频率变化的激励力作用下进行强迫振动响应分析，系统满足下列关系式[5]：（6）把模型物理坐标转换为模态坐标，得：（7）把（7）式代入（6）并前乘得基于模态的强迫振动响应方程：（8）其中，为激励力，为阻尼矩阵，为模态质量矩阵，为模态刚度矩阵，为模态阻尼矩阵。在轴承孔处施加单位激励力，采用基于模态的频率响应分析法计算驱动桥壳体振动响应，得到如图7所示驱动桥壳体在1000Hz左右振动响应云图。图7驱动桥1000Hz振动响应云图4.2声学响应分析驱动桥高频辐射噪声，常通过空气声传播出来，故计算壳体表面辐射噪声，找出哪些板块在特定频率下对车内噪声的贡献成为一种解决方法。以驱动桥壳体表面的振动加速度为边界条件，建立壳体表面的边界元模型，计算ATV，之后计算场点的声压。根据要分析的频率范围，确定声学边界元的网格大小，建立的边界元模型如图8所示。以后桥几何中心为中点，建立场点网格，得到ATV计算模型如图9所示，1,2,3,4为拾取的相应点。图8驱动桥声学边界元模型11234图9驱动桥ATV计算模型以模态响应为基础，将结构振动响应映射到边界元模型作为声学边界条件，计算得到单位激励下的声学响应，驱动桥在1000Hz左右近场声压级响应如图10所示。图10后桥声学响应4.3板块贡献量分析通常板件辐射噪声在特定频率下，有不同的声学表现，板块贡献量分析可以找出哪些板块在特定频率下对周围声场的辐射。把驱动桥辐射噪声表面细分为17个板块，如图11所示。图12是基于ATV的板块贡献量柱状图，在1000Hz人耳较敏感的频率左右，1，2，3，4和10号板块贡献量较大。图11驱动桥表面板块细分图12驱动桥壳体噪声板块贡献量由于驱动桥前端是铸造件，工程优化成本较高，后端壳体加筋或壳体加厚可行性较高。因此，采用图6的加筋方式，并增加后端盖厚度，基于同样的声学分析方法，计算得到相应点1，2，3和4点的声学响应曲线，如图13至图16所示。图13响应点1声压级频率响应曲线图14响应点2声压级频率响应曲线图15响应点3声压级频率响应曲线图16响应点4声压级频率响应曲线从图13至图16可以看出，壳体增加加强筋后，驱动桥壳体单位激励下的噪声辐射降低了，尤其是在900至1200Hz高频段。5.实验分析为了验证驱动桥壳体加筋效果，制作了驱动桥手工焊接样件，如图17所示。加强筋加强筋图17驱动桥壳体加筋在整车状态下进行近场振动噪声NVH测试。在后桥壳体上布置振动加速度传感器，在距离驱动桥壳体几何中心100mm位置布置传声器。在WOT工况下，采集驱动桥壳体振动加速度和近场噪声信号，对其进行离散傅里叶变换，得到如图18和图19所示的振动频谱和噪声频谱。图18后桥壳体振动频谱图19后桥近场噪声频谱图20驱动桥近场噪声优化前后对比从发动机转速1800rpm至2500rpm，近场噪声声压级明显降低。从后桥近场噪声两种状态下的振动和噪声频谱可以看出，加筋后的壳体，在900和1200Hz左右振动幅值降低比较明显，在900到1200Hz的区间，噪声峰值都有所抑制，在一定程度上降低了后桥高频噪声。6.结论本文利用有限元法计算了驱动桥模态，采用拓扑优化方法找出提高模态频率和模态密度的方法，并用ATV法计算出后桥在单位激励下的声学响应，在工程上得到了实验验证。（1）驱动桥壳体模态频率较低，加筋后，壳体模态频率平均提高20Hz；（2）拓扑优化分析得出壳体加筋位置，采用这种优化方法，可以提高后桥模态，并能减少模态密度；（3）采用基于边界元的ATV法，计算出后桥辐射噪声，加筋后，辐射噪声减小，对应频率升高；（4）板块贡献量分析得出，驱动桥1，2，3，4和10号板块在1000Hz左右贡献量较大；（5）实验分析得出，驱动桥壳体加筋，后端盖加厚，对壳体噪声辐射有明显抑制作用。参考文献1DavidP.SchankinandZhaohuiSun.IntegrationofIndependentFrontAxlesforGearMeshEnergy[J].PaperSAE2007-01-2240.2DanRybergandHamidMir.Develo