驱动桥啸叫整车试验及后桥啸叫机理分析
本文以某国产皮卡车驱动桥啸叫为出发点，对其进行整车试验和模态试验，通过主观感觉和客观数据分析后桥啸叫的原因，并提出相应的改进措施；最后利用有限元和边界元方法验证改进后的效果。
1 驱动桥啸叫整车试验
1.1 试验方案
本文所研究的对象为某国产皮卡车，该车采用前置后驱的动力系统布置方案。对驱动桥啸叫进行整车试验，分析后桥啸叫原因，以便于后期的改进。试验仪器主要有lms数据采集系统、声学麦克、振动加速度传感器和霍尔转速传感器等等。传感器的类型和布置位置如表1所示。
表1 传感器安装位置
tab.1 distribution of the sensors
图1是部分传感器的布置图，车内麦克布置位置参考gb/t 18697[14]，转速传感器布置在后桥输入轴位置，采集输入轴的转速。测试场地为广德试验场的b级路面，测试工况为加速、匀速和滑行工况。
(a)驱动桥 (b)驾驶员耳旁 (c)座椅导轨
图1 部分传感器布置位置
fig.1 placements of partial sensors
1.2 试验结果分析
根据测试时驾驶员和乘员的主观评价，汽车在四挡90 km/h(后桥输入转速2 700 r/min)时存在后桥啸叫噪声；并且滑行工况时，由于发动机噪声比加速时小，发动机的“掩蔽效应”较弱，导致车内的后桥噪声十分明显。
图2是四挡(直接挡)加速工况车内噪声的阶次追踪图，以驱动桥的输入轴转速为参考转速，可以看出发动机2阶、4阶和6阶噪声最明显。后桥主减速器传动比为41/9(大齿轮41个齿，小齿轮9个齿)，小齿轮轴每转动一圈，主减速器齿轮就会产生9次啮合冲击，因此9阶噪声是后桥主减速器齿轮的齿频。
图2 驾驶员右耳噪声阶次追踪图
fig.2 order tracking noise of driver
如图3所示，对车内噪声按阶次进行切片，从图中可以看出车内总噪声随转速逐渐增加；当发动机转速在2 000 r/min以内时，发动机4阶噪声对车内噪声的贡献量最大，转速高于2 000 r/min后，发动机2阶噪声贡献量最大。总体来说，后桥9阶噪声不大，但是在2 700 r/min附近，9阶噪声幅值突然增大，和总噪声的声压级之差小于6 db(a)，在车内(尤其是后排乘员位置)会听到明显的齿轮啸叫。其他转速时，齿频阶次噪声和总噪声的差值大于10 db(a)，在车内听不到后桥噪声。
图3 驾驶员右耳噪声阶次切片图
fig.3 order slice of driver noise
图4是桥壳后盖振动的阶次追踪图，在395 hz存在明显的共振带，齿轮的9阶激励在2 700 r/min与共振带相交，导致桥壳发生共振，后桥噪声增大，在车内听到驱动桥啸叫。
图4 桥壳后盖振动的阶次追踪图
fig.4 order tracking of rear axle housing vibration
2 驱动桥总成模态分析
为了确定驱动桥啸叫的模态频率，建立驱动桥总成的有限元模型，对其模态进行仿真分析，并进行模态试验。
2.1 有限元分析
如图5所示，利用hypermesh软件对驱动桥总成划分网格，建立驱动桥总成的有限元模型，利用abaqus软件的lanczos算法求解驱动桥的模态。
图5 驱动桥总成有限元模型
fig.5 finite element model of drive axle
2.2 模态试验
图6是驱动桥的模态试验，采用lms数据采集系统、pcb加速度传感器和pcb力锤。驱动桥采用自由悬挂方式，用串联弹簧的尼龙绳悬吊，使其自由模态与系统的刚体模态充分分离，保证两者相差10倍以上。用力锤激励，采用一点激振多点采集的方式。在驱动桥上布置的拾振点数为43点，每点布置一个三向振动加速度传感器，共需要通道数为129，lms测试前端的通道数量为72个，因此需要分两次布点和测量。正式采集数据之前，要对激振点进行互易性检验以判断是否符合线性要求，频率响应函数frf峰值误差通常应小于5%。
图6 后桥模态试验
fig.6 modal test rear axle
表2是驱动桥模态测试和仿真结果，两者的误差在8%以内，基本满足工程实际需要，可以认为有限元模型是正确的。驱动桥第五阶模态频率为400 hz左右，和驱动桥在2 700 r/min的共振频率一致，说明后桥啸叫是由齿轮啮合激励激发后桥此阶模态共振引起的。
表2 试验模态与仿真模态对比
tab.2 comparison of experimental and simulation modal
3 后桥啸叫的改进方案
3.1 后桥啸叫机理
后桥噪声主要分为两种：空气传声和结构传声。空气传声指的是齿轮的啮合噪声直接通过空气传到车内；结构传声是指齿轮的啮合冲击力通过轴承传给驱动桥壳体，引起壳体振动，从而向外界辐射噪声。因为驱动桥齿轮被金属的驱动桥壳完全包裹住，齿轮啮合噪声很难直接传到外界，驱动桥噪声主要是结构传声[15]。
从整车试验已知，驱动桥在90 km/h(后桥输入转速2 700 r/min)附近存在啸叫，是由后桥主减速器齿频激励引起后桥第五阶模态导致的。
可以从以下几个方面解决：(1)减小后桥主减速器齿轮的啮合激励，从根源上降低驱动桥的噪声。但是由于后桥准双曲面齿轮加工工艺复杂，其本身可提高的空间较小。(2)降低驱动桥壳体的振动响应，在不改变激励源大小的前提下降低响应值。(3)通过声学包装提高车的密闭性，在声音的传递路径上降低噪声，但是会增加成本。
3.2 改进方案
为了便于实施，通过改进桥壳的结构，降低桥壳的振动响应。
从表2可以看出，400 hz问题模态振型表现为主减速器壳体在水平面内左右摆动，因此，可以加强桥壳与主减壳的连接位置的强度，提高此阶模态，从而避免桥壳共振。当汽车四挡行驶时，常用的车速范围是40 km/h～98 km/h，车速为98 km/h时后桥输入转速为2 940 r/min，此转速对应的主减速器齿轮啮合频率为：2 940÷60×9=441(hz)，因此需要将原400 hz的模态频率提高到441 hz以上才能避免在常用工况出现共振。
文中研究的驱动桥为钢板冲压焊接结构，桥壳由两块冲压后的钢板焊接而成。如图7(a)所示，原结构桥壳与主减壳的连接位置为焊接在桥壳上的环形加强环，加强环的厚度远大于桥壳厚度。为了提高主减壳与桥壳连接位置的强度，考虑将此结构改为向两侧延伸的形状，即7(b)所示的结构。利用abaqus软件对改进后的结构进行模态仿真计算，模态频率提高为484.67 hz。
(a)原结构 (b)改进结构
图7 改进方案结构图
fig.7 the improved structure
3.3 方案验证
基于驱动桥总成的有限元模型，利用abaqus软件的动态隐式(dynamic，implicit)分析步[16]仿真分析驱动桥的动态特性，在小齿轮轴施加转速，在半轴两侧施加力矩，模拟后桥真实工况。如图8所示，仿真得到桥壳表面的振动加速度数据。
图8 桥壳表面振动加速度云图
fig.8 vibration of the drive axle surface
将桥壳表面的振动数据其导入到lms.virtual.lad软件中，利用边界元模块仿真计算驱动桥的辐射声场。如图9所示，参考qc/t 533-1999[17]，提取驱动桥双曲面齿轮啮合位置上方300 mm位置的噪声数据。
图9 桥壳辐射噪声场
fig.9 radiated noise of the drive axle surface
根据边界元模型的噪声仿真结果，改进后驱动桥噪声在90km/h附近的噪声明显降低，比原结构降低了大约4 db(a)。
4 结论
(1)驱动桥啸叫是由主减速器齿轮啮合激励引起，后桥噪声阶次与主减速器小齿轮的齿数有关。
(2)当齿轮的啮合激励与驱动桥的固有频率重叠时，会引起驱动桥共振，导致后桥啸叫。
(3)通过桥壳结构的改进，使得共振频率远离常用工况，可以抑制驱动桥啸叫；如果从根源上解决驱动桥的啸叫，需要降低主减速器齿轮的啮合激励。
(4)改进后的驱动桥结构，后续还需试制样件，并且在整车上进行验证啸叫的影响。
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1 驱动桥啸叫整车试验
1.1 试验方案
本文所研究的对象为某国产皮卡车，该车采用前置后驱的动力系统布置方案。对驱动桥啸叫进行整车试验，分析后桥啸叫原因，以便于后期的改进。试验仪器主要有lms数据采集系统、声学麦克、振动加速度传感器和霍尔转速传感器等等。传感器的类型和布置位置如表1所示。
表1 传感器安装位置
tab.1 distribution of the sensors
图1是部分传感器的布置图，车内麦克布置位置参考gb/t 18697[14]，转速传感器布置在后桥输入轴位置，采集输入轴的转速。测试场地为广德试验场的b级路面，测试工况为加速、匀速和滑行工况。
(a)驱动桥 (b)驾驶员耳旁 (c)座椅导轨
图1 部分传感器布置位置
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1.2 试验结果分析
根据测试时驾驶员和乘员的主观评价，汽车在四挡90 km/h(后桥输入转速2 700 r/min)时存在后桥啸叫噪声；并且滑行工况时，由于发动机噪声比加速时小，发动机的“掩蔽效应”较弱，导致车内的后桥噪声十分明显。
图2是四挡(直接挡)加速工况车内噪声的阶次追踪图，以驱动桥的输入轴转速为参考转速，可以看出发动机2阶、4阶和6阶噪声最明显。后桥主减速器传动比为41/9(大齿轮41个齿，小齿轮9个齿)，小齿轮轴每转动一圈，主减速器齿轮就会产生9次啮合冲击，因此9阶噪声是后桥主减速器齿轮的齿频。
图2 驾驶员右耳噪声阶次追踪图
fig.2 order tracking noise of driver
如图3所示，对车内噪声按阶次进行切片，从图中可以看出车内总噪声随转速逐渐增加；当发动机转速在2 000 r/min以内时，发动机4阶噪声对车内噪声的贡献量最大，转速高于2 000 r/min后，发动机2阶噪声贡献量最大。总体来说，后桥9阶噪声不大，但是在2 700 r/min附近，9阶噪声幅值突然增大，和总噪声的声压级之差小于6 db(a)，在车内(尤其是后排乘员位置)会听到明显的齿轮啸叫。其他转速时，齿频阶次噪声和总噪声的差值大于10 db(a)，在车内听不到后桥噪声。
图3 驾驶员右耳噪声阶次切片图
fig.3 order slice of driver noise
图4是桥壳后盖振动的阶次追踪图，在395 hz存在明显的共振带，齿轮的9阶激励在2 700 r/min与共振带相交，导致桥壳发生共振，后桥噪声增大，在车内听到驱动桥啸叫。
图4 桥壳后盖振动的阶次追踪图
fig.4 order tracking of rear axle housing vibration
2 驱动桥总成模态分析
为了确定驱动桥啸叫的模态频率，建立驱动桥总成的有限元模型，对其模态进行仿真分析，并进行模态试验。
2.1 有限元分析
如图5所示，利用hypermesh软件对驱动桥总成划分网格，建立驱动桥总成的有限元模型，利用abaqus软件的lanczos算法求解驱动桥的模态。
图5 驱动桥总成有限元模型
fig.5 finite element model of drive axle
2.2 模态试验
图6是驱动桥的模态试验，采用lms数据采集系统、pcb加速度传感器和pcb力锤。驱动桥采用自由悬挂方式，用串联弹簧的尼龙绳悬吊，使其自由模态与系统的刚体模态充分分离，保证两者相差10倍以上。用力锤激励，采用一点激振多点采集的方式。在驱动桥上布置的拾振点数为43点，每点布置一个三向振动加速度传感器，共需要通道数为129，lms测试前端的通道数量为72个，因此需要分两次布点和测量。正式采集数据之前，要对激振点进行互易性检验以判断是否符合线性要求，频率响应函数frf峰值误差通常应小于5%。
图6 后桥模态试验
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表2 试验模态与仿真模态对比
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可以从以下几个方面解决：(1)减小后桥主减速器齿轮的啮合激励，从根源上降低驱动桥的噪声。但是由于后桥准双曲面齿轮加工工艺复杂，其本身可提高的空间较小。(2)降低驱动桥壳体的振动响应，在不改变激励源大小的前提下降低响应值。(3)通过声学包装提高车的密闭性，在声音的传递路径上降低噪声，但是会增加成本。
3.2 改进方案
为了便于实施，通过改进桥壳的结构，降低桥壳的振动响应。
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文中研究的驱动桥为钢板冲压焊接结构，桥壳由两块冲压后的钢板焊接而成。如图7(a)所示，原结构桥壳与主减壳的连接位置为焊接在桥壳上的环形加强环，加强环的厚度远大于桥壳厚度。为了提高主减壳与桥壳连接位置的强度，考虑将此结构改为向两侧延伸的形状，即7(b)所示的结构。利用abaqus软件对改进后的结构进行模态仿真计算，模态频率提高为484.67 hz。
(a)原结构 (b)改进结构
图7 改进方案结构图
fig.7 the improved structure
3.3 方案验证
基于驱动桥总成的有限元模型，利用abaqus软件的动态隐式(dynamic，implicit)分析步[16]仿真分析驱动桥的动态特性，在小齿轮轴施加转速，在半轴两侧施加力矩，模拟后桥真实工况。如图8所示，仿真得到桥壳表面的振动加速度数据。
图8 桥壳表面振动加速度云图
fig.8 vibration of the drive axle surface
将桥壳表面的振动数据其导入到lms.virtual.lad软件中，利用边界元模块仿真计算驱动桥的辐射声场。如图9所示，参考qc/t 533-1999[17]，提取驱动桥双曲面齿轮啮合位置上方300 mm位置的噪声数据。
图9 桥壳辐射噪声场
fig.9 radiated noise of the drive axle surface
根据边界元模型的噪声仿真结果，改进后驱动桥噪声在90km/h附近的噪声明显降低，比原结构降低了大约4 db(a)。
4 结论
(1)驱动桥啸叫是由主减速器齿轮啮合激励引起，后桥噪声阶次与主减速器小齿轮的齿数有关。
(2)当齿轮的啮合激励与驱动桥的固有频率重叠时，会引起驱动桥共振，导致后桥啸叫。
(3)通过桥壳结构的改进，使得共振频率远离常用工况，可以抑制驱动桥啸叫；如果从根源上解决驱动桥的啸叫，需要降低主减速器齿轮的啮合激励。
(4)改进后的驱动桥结构，后续还需试制样件，并且在整车上进行验证啸叫的影响。
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