汽车驱动桥NVH分析及优化

驱动后桥作为传动系统的重要组成部分，同时也是激励源之一，它的NVH性能直接影响整车的舒适性[1-3]。从前人的研究成果可知，汽车后桥噪声（除了齿轮啮合噪声、轴承噪声），主要是由于后桥壳体内主锥齿轮的动态激励与冲击经过轴承的传递引起的桥体结构振动而产生的辐射噪声[4]。同时，由于驱动桥与悬架连接在一起，上支撑车身，下连接轮胎地面，会受到簧上车身质量的扭转及路面不平整的影响，产生强烈的弯曲或者扭转振动，当这些振动频率与总成或子系统固有频率相同时就会产生共振，引起强烈的振动噪声，严重影响汽车的平顺性和可靠性，破坏车内舒适性。因此，驱动桥的NVH分析对汽车设计有着重要意义[5-6]。

驱动桥模态分析

对驱动桥进行模态分析，其模型如图1所示，驱动桥噪声频率主要分布在2 000 Hz以内，故用兰索士法计算固有频率从1～2 000 Hz的模态。考虑到实际影响的频率范围，下面只列出一至四阶模态（如图2所示）。


图1 桥壳有限元模型


图2 驱动桥模态

计算后桥模态的目的是为了避开模态，防止产生共振，来自路面的随机激励一般为几赫兹到十几赫兹，而该后桥最低固有频率为102.2 Hz，因此后桥模态不会被路面激励激起产生共振，而该微车发动机怠速为750 r/s，故发动机怠速工况下二阶激励频率为25 Hz，不会激起后桥模态。

由供应商提供的轮胎滚动半径为292 mm，主减主动齿轮齿数为10，被动齿轮齿数为43，通过计算，在42.5 km/h匀速直线工况时，主减啮合频率为277 Hz。可以看出，主减一阶啮合频率与桥壳的第三阶模态重合，发生了共振，这也就是该微车在低速43 km/h左右匀速直线工况下后桥噪声较大的根本原因。

试验模态分析验证

为了验证建模的准确性，对后桥桥壳进行模态试验，将该微车停放在沟渠上，拆除主减齿轮、差速器及传动轴的连接，保证试验状态与分析状态一致，在半轴套管、桥弓、主减壳上一共布置6个测点，为了减少加速度传感器附加质量对模态的影响，用3个加速度传感器分2次测量，采用锤击法对桥壳进行模态试验。前三阶主要振型的模态结果如图3、图4、图5所示，与仿真分析对比，前三阶主要模态振型一致，模态频率也非常接近，可以认为此次仿真建模比较准确，为后续分析打下了良好的基础。


图3 Z向弯曲模态：101.6 Hz


图4 X向弯曲模态：116.4 Hz

图5 绕Y向扭转模态：275.3 Hz

桥壳的辐射噪声分析

采用非耦合直接边界元对驱动桥壳进行外声场辐射噪声分析，声学模型如图6所示，通过前述分析已经找出该驱动桥噪声较大的原因，即主减的啮合频率与277 Hz模态频率耦合导致共振产生。因此，本文在分析声场时，重点关注277 Hz时声场的分布及声压级大小。


图6 桥壳声学边界元网格

图7是频率为277 Hz时桥壳表面声场分布云图，从图7可以看出，主减壳和桥弓区域的声辐射较大，是主要的辐射区域。对比桥壳的振动响应，振动响应较大处也是这2个区域，再对比桥壳在277 Hz时的模态振型发现，这2个区域表现出了主要的振型，说明在277 Hz激励下引起了共振，使桥壳产生较大的振动响应，然后辐射出较大的噪声，最大声压级达到了69.9 dB。图8是频率为277 Hz时场点声场分布云图，桥弓上、下附近区域声压级较大，此外主减壳附近区域的声压级也较大，与桥壳表面声场分布也是一致的，最大声压级为54.6 dB。


图7 277 Hz时桥壳表面声场分布


图8 277 Hz时场点声场分布

基于模态的拓扑优化及结构改进

为解决共振问题，对桥壳进行拓扑优化，首先将该桥壳的第三阶模态上、下限分别设为250 Hz和200 Hz，既降低了模态，又不至于模态过低而引起其他匹配问题，然后在主减壳和桥弓上加一层壳单元，以这一层壳单元和后盖为设计变量空间，最后优化计算得到图9。


图9 基于模态的拓扑优化结果

根据结果可以看出，主减前端需要加强，可以对其进行扩大，桥弓上、下、中间部分也需要加强，在上、下、中间部分起筋条，后盖也需要加厚，通过更改得到的结构如图10所示。


图10 基于模态拓扑优化更改后的桥壳结构

将基于模态拓扑优化下改进的结构进行模态分析，根据前面的分析结果，这里只着重考虑第三阶振型的模态（如图11所示），第三阶模态由原来的277 Hz降到247 Hz，说明该结构的改进措施是有效的。


图11 基于模态拓扑优化改进的结构三阶模态

对改进后的结构进行辐射噪声分析，对比原结构第三阶模态频率处桥壳表面声场和场点声场分布，第三阶模态频率处比原结构降低了3.2 dB，再考虑到由于频率的降低使实际工况下的啮合冲击减少，说明该优化取得了较好的效果。

图12为改进后的结构在277 Hz处桥壳表面声场分布图，由于在该频率处没有模态振型，桥壳表面声场最大声压级为59.7 dB，相比原结构减少了10.2 dB。图13为改进后的结构在277 Hz处场点声场分布图，与表面声场分布类似，最大声压级有了明显的降低，降到46 dB。因此，在43 km/h匀速直线工况下桥壳辐射噪声有了较大的降低。


图12 基于模态拓扑优化改进的结构277 Hz处桥壳表面声场分布


图13 基于模态拓扑优化改进的结构277 Hz处场点声场分布

结论

本文根据问题对后桥进行了模态及辐射噪声分析，然后进行基于模态的拓扑优化，最终解决了后桥在43 km/h匀速直线工况下噪声过大的问题。考虑了主减壳、桥弓铸造结构，对结构改进的可塑性较强，并且有指导性的优化提高了效率。在进行基于模态的拓扑优化时，采用加一层壳单元作为设计变量空间，保证了结果的可用性。