動(dòng)力吸振器在驅(qū)動(dòng)橋減振降噪上的應(yīng)用

劉國政， 史文庫， 鄭煜圣， 陳志勇

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

動(dòng)力吸振器廣泛應(yīng)用在被動(dòng)減振領(lǐng)域，能有效吸收特定頻率的振動(dòng)，通常由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。動(dòng)力吸振器在汽車上也廣泛應(yīng)用，例如傳動(dòng)軸[1-2]、副車架[3-4]、方向盤[5]、懸架[6]和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸[7]等等。

驅(qū)動(dòng)橋是汽車傳動(dòng)系的最后環(huán)節(jié)，也是整車振動(dòng)噪聲的重要來源，尤其對(duì)于當(dāng)下較流行的電動(dòng)車，驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲更為明顯[8-10]。驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的根源主要是后橋主減速器齒輪的嚙合沖擊力，通過軸承傳遞給橋殼，使得橋殼發(fā)生共振，向外輻射噪聲。對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲，通常從齒輪嚙合激勵(lì)源出發(fā)，通過減小主減速器螺旋錐齒輪的傳動(dòng)誤差來降低激勵(lì)力，從而減小橋殼的振動(dòng)響應(yīng)[11-13]。然而，由于齒輪提升空間的限制，無法僅僅通過優(yōu)化齒輪來降低后橋振動(dòng)噪聲，且驅(qū)動(dòng)橋往往僅在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在較嚴(yán)重的嘯叫問題，許多學(xué)者在驅(qū)動(dòng)橋上增加動(dòng)力吸振器來降低振動(dòng)噪聲。郭年程等[14]通過試驗(yàn)和有限元模態(tài)分析的方法，對(duì)某中型客車的驅(qū)動(dòng)器橋噪聲進(jìn)行分析，并采用動(dòng)力吸振器和橋殼改進(jìn)等方法降低驅(qū)動(dòng)橋噪聲。謝小洋等[15]為了解決由后橋引起的車內(nèi)200～240 Hz轟鳴聲，設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)，通常將主振系統(tǒng)簡化為單自由度振動(dòng)，由質(zhì)量點(diǎn)、彈簧和阻尼組成。但實(shí)際結(jié)構(gòu)往往較復(fù)雜，按照單自由度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的吸振器，有可能效果不明顯，需要進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)調(diào)整。

本文針對(duì)某驅(qū)動(dòng)橋在2 600 r/min附近的嘯叫問題，設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器，并采用有限元和多體動(dòng)力學(xué)結(jié)合的方法，對(duì)吸振器的效果進(jìn)行仿真分析，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的控制具有實(shí)際意義。

1 驅(qū)動(dòng)橋嘯叫分析

本文所研究的對(duì)象為國產(chǎn)皮卡車的后驅(qū)動(dòng)橋，當(dāng)后橋的輸入轉(zhuǎn)速在2 600 r/min(車速90 km/h)附近時(shí)，在車內(nèi)能聽到明顯的后橋嘯叫，尤其是后排座椅位置。由于后橋嘯叫發(fā)生在常用車速，主觀評(píng)價(jià)較差，嚴(yán)重影響乘坐舒適性。為此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲進(jìn)行整車試驗(yàn)，客觀分析驅(qū)動(dòng)橋嘯叫特性，為后期的改進(jìn)提供依據(jù)。

試驗(yàn)所用儀器有比利時(shí)LMS聲振測試前端、PCB振動(dòng)加速度傳感器、GRAS聲學(xué)麥克和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等。圖1是傳感器布置位置，參考GB/T 18697[16]，聲學(xué)麥克布置在后排座椅位置；振動(dòng)加速度傳感器布置在橋殼表面的小齒輪外軸承座、橋殼底部、主減速器殼和橋殼后蓋等位置；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器布置后橋輸入軸法蘭盤位置，采集后橋的輸入轉(zhuǎn)速。

圖1 整車試驗(yàn)傳感器布置Fig.1 Sensor arrangementfor vehicle test

圖2 車內(nèi)噪聲測試結(jié)果Fig.2 Measurement results of vehicle interior noise

圖2是車內(nèi)噪聲的測試結(jié)果，從車內(nèi)噪聲的階次追蹤圖上可以看出，車內(nèi)噪聲主要以發(fā)動(dòng)機(jī)的2階、4階和6階噪聲為主。后橋小齒輪齒數(shù)為9，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈有9次嚙合沖擊，故9階噪聲是后橋齒輪的齒頻噪聲。從圖2(b)可以看出，齒頻噪聲在2 600 r/min附近存在明顯的峰值，車內(nèi)乘員也能主觀感受到后橋的嘯叫。

圖3是橋殼振動(dòng)的階次追蹤圖，可以看出在390 Hz附近存在明顯的共振帶，齒頻激勵(lì)與共振帶在2 600 r/min時(shí)重合，導(dǎo)致后橋的振動(dòng)噪聲加劇。

圖3 橋殼振動(dòng)測試結(jié)果Fig.3 Vibration test results

2 動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力吸振器原理

圖4是動(dòng)力吸振器模型，主振系統(tǒng)忽略阻尼，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

式中：M和m分別為主振系統(tǒng)和動(dòng)力吸振器的質(zhì)量，k1和k2分別是是主振系統(tǒng)和動(dòng)力吸振器的剛度，c是動(dòng)力吸振器的阻尼，x1和x2分別是主振系統(tǒng)和動(dòng)力吸振器的位移，F(xiàn)(t)為主振系統(tǒng)的激勵(lì)力。

圖4 動(dòng)力吸振器模型Fig.4 Dynamic vibration absorber model

由式(1)推導(dǎo)得主振系統(tǒng)的位移對(duì)激勵(lì)力的動(dòng)力放大系數(shù)為[17-19]

(2)

式中：g=ω/ωn為頻率比，ωn為主振系統(tǒng)的固有圓頻率；f=ωa/ωn為調(diào)諧比，ωa為吸振器固有頻率；μ=m/M為質(zhì)量比；ηa為吸振器阻尼比。

最佳調(diào)諧比[18]

f=1/(1+μ)

(3)

最優(yōu)阻尼比為[18]

1.2 手術(shù)方法 球囊擴(kuò)張組：鼻竇球囊擴(kuò)張術(shù)采用Wolf公司生產(chǎn)的鼻內(nèi)鏡系統(tǒng)(型號(hào)：7230AA)，其內(nèi)窺鏡直徑為1.9～4 mm。40例患者均采用1%利多卡因+麻黃堿對(duì)鼻腔黏膜進(jìn)行局部麻醉，在鼻內(nèi)鏡直視下，將鼻竇球囊導(dǎo)管放置在目標(biāo)竇口附近。推送發(fā)光導(dǎo)絲，觀察光斑確認(rèn)目標(biāo)竇口。推出球囊擴(kuò)張管，確定其頭端球囊的近中部位于目標(biāo)竇口，充水加壓膨脹(一般采用10個(gè)大氣壓)，維持15 s后抽出液體回縮球囊。無彈性的骨性結(jié)構(gòu)輕微骨折，有彈性回縮力的黏膜組織受到塑型，成功擴(kuò)張目標(biāo)竇口。撤出球囊導(dǎo)管和導(dǎo)絲，插入沖洗導(dǎo)管，對(duì)目標(biāo)鼻竇沖洗治療。撤出整套器械，即可結(jié)束手術(shù)。

(4)

將式(3)和(4)代入式(2)，可得

(5)

從式(5)可以看出，質(zhì)量比越大，動(dòng)力吸振器的吸振效果越好。但是在初始設(shè)計(jì)階段，常按實(shí)際要求來選擇，一般μ<0.5；若動(dòng)力吸振器質(zhì)量太大，采用動(dòng)力吸振器方案來抑制主系統(tǒng)的振動(dòng)已沒有太大的意義[17]。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力吸振器采用圖5所示的結(jié)構(gòu)，主要由五部分組成：質(zhì)量塊、套管、螺栓、橡膠墊和底座。它們由螺栓連接裝配成一體，套筒控制兩質(zhì)量塊之間的距離，可以通過套筒的長度調(diào)整橡膠墊的預(yù)緊力；底座用來跟后橋連接固定；橡膠墊提供彈性剛度和阻尼；質(zhì)量塊相當(dāng)于振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量。整個(gè)動(dòng)力吸振器系統(tǒng)中，橡膠起到彈簧和阻尼器作用，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，因此需要對(duì)剛度值進(jìn)行有限元仿真分析，通過反復(fù)調(diào)整橡膠墊的直徑和厚度使得吸振器的剛度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

圖5 動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of dynamic vibration absorber

橡膠是典型的超彈性材料，其力學(xué)行為具有很強(qiáng)的非線性，在有限元分析中，橡膠材料的屬性至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用橡膠的邵氏硬度為60。不同于金屬材料，橡膠的力學(xué)行為是用超彈性本構(gòu)模型來描述，常用的本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin、Neoh-Hookean、Yeoh、Ogden等模型，本文采用Mooney-Rivlin模型，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，能較好的描述橡膠的超彈性行為[20]。其一般形式為

(6)

(7)

求得橡膠的超彈性本構(gòu)模型參數(shù)為C10=0.482 5,C01=0.120 625。

在CATIA里建立動(dòng)力吸振器的三維數(shù)模，將數(shù)模以stp格式導(dǎo)入到Hypermesh中劃分網(wǎng)格，賦予網(wǎng)格材料屬性；再將網(wǎng)格以inp格式導(dǎo)入到ABAQUS軟件里，設(shè)置邊界條件和載荷，進(jìn)行剛度仿真計(jì)算。加載時(shí)，固定動(dòng)力吸振器的底座，給質(zhì)量塊施加徑向位移。圖6是吸振器應(yīng)變云圖，可以看出橡膠變形較大，仿真得到的橡膠徑向剛度徑向剛度為3 911 N/mm，跟理論值3 830 N/mm僅僅相差2%，可認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 動(dòng)力吸振器應(yīng)變云圖(徑向位移1 mm)Fig.6 Strain nephogram of dynamic vibration absorber

2.4 安裝位置

圖7是驅(qū)動(dòng)橋總成的約束模態(tài)的仿真結(jié)果，模態(tài)頻率為400 Hz，且在350～450 Hz范圍內(nèi)只存在這一個(gè)模態(tài)，可以確定驅(qū)動(dòng)橋在2 600 r/min時(shí)的共振由此階模態(tài)引起。模態(tài)振型表現(xiàn)為主減速器殼在水平面內(nèi)左右擺動(dòng)。所以吸振器在安裝時(shí)保證其徑向跟Y向重合，這樣才能保證最優(yōu)的吸振效果。

圖7 模態(tài)仿真結(jié)果Fig.7 Modal simulation results

考慮到安裝空間及主減速器殼的實(shí)際結(jié)構(gòu)，安裝位置初步定為如圖8所示：動(dòng)力吸振器的徑向和整車坐標(biāo)系的Y軸、Z軸平行，動(dòng)力吸振器軸向和整車坐標(biāo)系的X軸平行。在安裝動(dòng)力吸振器時(shí)，需要在主減殼上加工用于安裝吸振器的凸臺(tái)和螺紋孔。

圖8 動(dòng)力吸振器安裝位置Fig.8 Installation position of dynamic vibration absorber

3 改進(jìn)效果驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

如圖9所示，用ABAQUS軟件建立驅(qū)動(dòng)橋總成和動(dòng)力吸振器的剛?cè)狁詈夏Ｐ停候?qū)動(dòng)橋?yàn)橥暾挠邢拊Ｐ?，?dòng)力吸振器用質(zhì)量點(diǎn)、彈簧和阻尼器代替。彈簧剛度為3 911 N/mm，阻尼比為0.05，質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量為0.6 kg。

在小齒輪外軸承位置施加幅值為500 N、頻率為390 Hz的正弦載荷，時(shí)間長度為0.2 s。如圖10所示，提取主減殼表面同一位置改進(jìn)前后的振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)，加裝動(dòng)力吸振器后主減殼振動(dòng)幅值衰減75%左右，減振效果明顯。

圖9 驅(qū)動(dòng)橋剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.9 Rigid flexible coupling model of drive axle

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖11是改進(jìn)前后的驅(qū)動(dòng)橋樣件，由于試驗(yàn)條件的限制，無法對(duì)改進(jìn)后的樣件進(jìn)行整車試驗(yàn)，故采用臺(tái)架試驗(yàn)的方法，分析吸振器對(duì)驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲的改善效果。

圖10 主減速器殼體振動(dòng)信號(hào)Fig.10 Vibration signal of main reducer housing

圖11 驅(qū)動(dòng)橋改進(jìn)前后樣件Fig.11 Specimen before and after improvement of drive axle

臺(tái)架試驗(yàn)在傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，參考驅(qū)動(dòng)橋的整車安裝狀態(tài)，固定板簧座位置；模擬整車行駛工況，在輸入端施加轉(zhuǎn)速，兩半軸端施加阻力矩。為了避免外界環(huán)境的影響，驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)噪聲試驗(yàn)應(yīng)在消聲室內(nèi)進(jìn)行，但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，如圖12(a)所示，筆者利用硬質(zhì)泡沫和吸音棉搭建“消聲室”，試驗(yàn)之前測得消聲室內(nèi)外的噪聲聲壓級(jí)差值為8 dB(A)，可以認(rèn)為消聲室能有效屏蔽外界噪聲，減少外界噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

圖12 驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)Fig.12 Test of the drive axle

圖13是改進(jìn)前后橋殼表面振動(dòng)的階次追蹤圖，以輸入轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速，9階和18階分別為齒頻和2階齒頻。原結(jié)構(gòu)在390 Hz附近存在明顯的共振帶，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的共振帶消失，說明吸振器能有效降低橋殼在390 Hz的共振。

圖13 橋殼振動(dòng)的階次追蹤圖Fig.13 Order tracking graph of drive axle’s vibration

圖14是改進(jìn)前后的噪聲試驗(yàn)結(jié)果，測點(diǎn)位置參考QC/T 533—1999[22]，為主減殼上方300 mm處，可以看出：改進(jìn)后總噪聲在2 600 r/min附近降低約3 dB(A)，9階噪聲降低約6 dB(A)。綜上分析，安裝動(dòng)力吸振器后，驅(qū)動(dòng)橋在2 600 r/min附近的振動(dòng)噪聲明顯改善。

圖14 改進(jìn)前后的噪聲對(duì)比Fig.14 Comparison of noise before and after improvement

4 結(jié) 論

本文通過設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器來降低驅(qū)動(dòng)橋的噪聲，詳細(xì)闡述了動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)流程，并進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下。

(1) 對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，車內(nèi)噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)階次噪聲；后橋齒輪噪聲不明顯。

(2) 當(dāng)后橋齒頻激勵(lì)與橋殼固有頻率重合時(shí)，會(huì)引起橋殼共振，車內(nèi)有可能聽到后橋嘯叫。

(3) 動(dòng)力吸振器能有效抑制驅(qū)動(dòng)橋共振，降低驅(qū)動(dòng)橋的齒頻噪聲。

(4) 加裝動(dòng)力吸振器后的驅(qū)動(dòng)橋，后續(xù)還需試制樣件，并且在整車上進(jìn)行驗(yàn)證嘯叫的影響。