某變速器箱體噪聲傳遞函數(shù)分析

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(dòng)力傳動(dòng)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(lì)主要是汽車電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)阶兯倨鬏斎胼S帶來的激勵(lì)以及齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)齒輪副發(fā)生的嚙合振動(dòng)。若箱體振動(dòng)的頻率與變速器箱體某階固有頻率接近，會(huì)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(dòng)汽車變速器的振動(dòng)噪聲主要通過箱體輻射到外界，故有必要對(duì)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(huì)影響變速器箱體的NVH 設(shè)計(jì)。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)箱體的振動(dòng)噪聲問題進(jìn)行了研究。馬維金等對(duì)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(dòng)與噪聲測(cè)試，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(duì)減速器輻射效率的影響［2］；于柱春等對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)箱體輻射外聲場(chǎng)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(duì)應(yīng)的特征模態(tài)，確定優(yōu)化區(qū)域，對(duì)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(chǎng)測(cè)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(lì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，在距箱體表面1 m處設(shè)置右測(cè)點(diǎn)、左測(cè)點(diǎn)、上測(cè)點(diǎn)及前測(cè)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(lì)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(chǎng)點(diǎn)的NTF函數(shù)分析曲線見圖3。由圖3a～b可知，箱體左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)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(cè)點(diǎn)和上測(cè)點(diǎn)聲壓有超過限定值的特殊頻率，為1621 Hz。前測(cè)點(diǎn)特殊頻率下聲壓達(dá)到63 dB，上測(cè)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(duì)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(chǎng)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(dòng)比較集中，在Solidworks 中對(duì)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(tái)。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(dòng)相對(duì)位移量為32.79，小于優(yōu)化前振動(dòng)相對(duì)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(cè)點(diǎn)、右測(cè)點(diǎn)、上測(cè)點(diǎn)及前測(cè)點(diǎn)的NTF 函數(shù)分析曲線（圖6）。由圖6 可知，4個(gè)場(chǎng)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(dòng)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(cè)點(diǎn)和前測(cè)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(chǎng)點(diǎn)NTF曲線圖

3 結(jié)論

以某電動(dòng)汽車變速器箱體的噪聲傳遞函數(shù)為對(duì)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(duì)軸承孔到距離箱體表面1 m處左測(cè)點(diǎn)、右測(cè)點(diǎn)、上測(cè)點(diǎn)及前測(cè)點(diǎn)進(jìn)行NTF 分析。優(yōu)化前箱體在前側(cè)點(diǎn)和上測(cè)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(tái)，減小了相應(yīng)頻率振型的振動(dòng)大小，相比優(yōu)化前箱體前測(cè)點(diǎn)和上測(cè)點(diǎn)的NTF分析結(jié)果，優(yōu)化后降噪效果明顯。