驱动桥NVH分析及性能优化-MASTA加载传动误差
驱动桥其振动噪声直接影响着汽车的NVH 性能。准双曲面齿轮作为汽车驱动桥主减速器中的关键传动部件,其齿面啮合质量对汽车驱动桥的工作性能有着直接影响。为了降低驱动桥振动噪声,必须提升准双曲面齿轮的设计水平,优化齿面的啮合性能。本文基于实际工况,从驱动桥主减齿轮的传动误差着手,研究了加载传动误差与驱动桥噪声之间的影响关系,为汽车驱动桥主减齿轮修形优化提供理论参考。
1 驱动桥模型及啮合错位量
1.1 驱动桥MASTA分析模型的建立
本文中研究对象为江铃集团某轻型客车驱动桥(车型编号为N520)。依据驱动桥及其各个零部件的二维图纸,基于UG 软件分别建立桥壳、主减速器、差速器、半轴等零部件的三维模型;将上述各个三维模型导入到Hypermesh软件中,进行前处理及网格划分。然后,基于MASTA 软件建立驱动桥的二维模型,如图1(a)所示。将上述各个部件的有限元网格模型导入到MASTA 中,替换MASTA 自动生成的相对应的模型,最终得到驱动桥的MASTA 三维分析精确模型,如图1(b)所示。
驱动桥主减速器准双曲面齿轮的几何参数如表1所示。
表1 齿轮几何参数
汽车驱动桥的工况载荷可由两种途径获得:一种是根据输入端发动机峰值转矩,经挡位换算得到各个挡位对应的驱动桥输入转矩;另一种是根据输出端路况载荷阻力矩计算得到。根据这两种途径,可以得到驱动桥主减速器输入端最大输入转矩,一般用于驱动桥的静强度校核。实际上汽车很少在最大载荷下行驶,一般驱动桥啸叫异响多发生在高速行驶过程中,此时驱动桥输入转矩随着速度的升高而减小,其数值并不是很大,此时的转矩可以通过路况测试得到。
由图2(d)测量工况的转矩曲线可以看出,在80~110 km/h 加速阶段,测得的驱动桥输入端转矩变化不大,基本在240~260 N·m 之间变化;在110-80 km/h 减速带挡滑行阶段,测得的驱动桥输入端转矩在-30~-50 N·m 之间变化。(关于转矩正负号的说明:加速阶段,小轮凹面驱动大轮凸面工作,定义转矩为正值;减速带挡滑行阶段,齿面反拖,大轮凹面驱动小轮凸面工作,定义转矩为负值。)由于齿轮啸叫发生在减速带挡滑行阶段(对应具体速度区间为[100,90]),所以本文中主要针对减速工况进行研究。为了便于更全面的分析,在参考图2(d)转矩曲线的基础上,将减速阶段转矩范围适当扩大,制定了工况载荷,如表2所示。
表2 驱动桥输入端转矩
驱动桥主减齿轮在受到转矩载荷后,会导致两轮之间的相对位置发生偏移,我们将相对位置的偏移数据称为齿轮啮合错位量,如图3 所示。图3 中,ΔXP 为小轮轴向错位量,ΔXW 为大轮轴向错位量,ΔE 为小轮轴线相对大轮轴线的垂直方向错位量,Δ∑为齿轮轴夹角错位量。
借助MASTA 软件的系统变形分析功能,针对表2中的载荷,计算出齿轮啮合错位量,如表3所示。
表3 驱动桥主减齿轮啮合错位量
驱动桥主减准双曲面齿轮反车面的加工参数如表4 所示,对其进行了TCA 及LTCA 分析,设计接触区如图4所示,实际工况下齿面加载接触区和加载传动误差曲线分别如图5、图6所示。
表4 齿轮加工参数
由图8 可以看出,在测试工况的发动机转速1 700~2 400 r/min 范围内,-30 N·m 对应的噪声曲线数值最小,-60 N·m 对应的噪声曲线数值最大。这表明随着载荷的增加,噪声呈逐渐增大趋势。
对比图6和图8可以看出,加载传动误差曲线随载荷的变化趋势与驱动桥噪声曲线随载荷的变化趋势具有一致性。也就是说,在同一载荷下,加载传动误差曲线波动幅值越大,对应的噪声曲线数值就越高。
4 驱动桥的NVH 性能优化
为改善减速带挡滑行阶段的齿轮啸叫问题,从传动误差着手,对齿轮原始设计方案进行改进,即通过优化两齿面之间失配关系,减小齿廓方向失配量,从而减小原始设计的传动误差幅值。优化后小轮凸面加工参数如表5 所示,传动误差曲线如图9 所示,设计的传动误差数值由27.8 µrad 降至17.6µrad。优化后的加载传动误差曲线如图10 所示,优化后的驱动桥噪声曲线如图11 所示。
表5 优化后小轮凸面加工参数
以上仿真分析及路试测试结果表明,通过控制实际工况下加载传动误差曲线波动幅值可以降低驱动桥噪声,提升驱动桥的NVH性能。
需要说明的是,图13 中实测的齿轮8 阶噪声曲线与图8和图11仿真的齿轮8阶噪声曲线形状有所不同,这主要是因为在实际路试测试时,受到了环境、风速、路面振动及整车其他零部件因素的影响。
5 结论
(1)基于MASTA软件建立了一种驱动桥NVH仿真分析方法。在设计阶段,通过进行实际工况下的LTCA 分析和虚拟NVH 分析,可以预测出驱动桥的NVH性能,为驱动桥减振降噪提供了一种解决途径。
(2)通过建立加载传动误差曲线与驱动桥噪声曲线之间的关联,得到了加载传动误差对驱动桥噪声的影响规律,为汽车驱动桥主减齿轮的修形优化提供了理论参考。
(3)通过仿真分析及主观驾评表明,齿轮传动误差是影响驱动桥振动噪声的主要因素,在设计阶段应控制好传动误差幅值。
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