某款變速器的振動(dòng)噪聲分析研究

宋立強(qiáng)

（長城汽車傳動(dòng)研究院 系統(tǒng)開發(fā)部， 河北 保定 071000）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，在汽車的使用中，對于舒適性的要求也越來越高， 振動(dòng)與噪聲這些影響因素也受到更多的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的噪聲占全部環(huán)境噪聲的3/4[1]，因此汽車的噪聲問題尤為重要。汽車變速器作為汽車的主要噪聲源， 其性能的好壞直接影響整車的噪聲水平。變速器作為汽車動(dòng)力總成的一部分，其性能直接影響整車的性能狀態(tài)， 通過對變速器的性能進(jìn)行分析了解其相應(yīng)的振動(dòng)與噪聲水平， 為變速器的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考， 并且為變速器后續(xù)性能改善提供更為可靠的修改方案，使變速器NVH 性能更加完善，從而提升整車NVH水平。

由于分析技術(shù)的發(fā)展， 模態(tài)測試與模態(tài)仿真等手段得到普遍應(yīng)用， 對于了解變速器的性能提供了很好的分析手段。 同時(shí)在噪聲分析階段，聲學(xué)邊界元方法為聲輻射的仿真分析提供了很好的解決方案， 邊界元法對處理聲輻射、聲散射和結(jié)構(gòu)聲腔問題具有獨(dú)特的優(yōu)越性[2]，為NVH性能分析的應(yīng)用提供了更好的平臺。

1 模態(tài)分析

1.1 模態(tài)仿真分析

本文將某款變速器作為分析對象進(jìn)行模態(tài)仿真分析，由于模態(tài)分析是進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析了解變速器的固有特性及其相應(yīng)振型。 固有頻率可以直接了解其能量的分布狀態(tài)， 陣型可以直接反應(yīng)共振的形態(tài)， 從而為共振的排查及改善提供可參考的依據(jù)并為下一步的動(dòng)力學(xué)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 針對變速器數(shù)模采用hypermesh 分析軟件進(jìn)行有限元模型的創(chuàng)建，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，盡量采用合適的單元大小，在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有特性時(shí)，若僅僅計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，可選擇較少的網(wǎng)格，如果計(jì)算的模態(tài)階次較高時(shí)，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格[3]，并且因?yàn)檫^大的單元易造成模態(tài)數(shù)據(jù)的丟失，過小的單元又容易造成計(jì)算數(shù)據(jù)量偏大， 對求解的結(jié)果文件造成影響， 因此需進(jìn)行多次分析確定網(wǎng)格大小的選取并為后期的分析提供參考。 變速器殼體的材料參數(shù)采用ADC12 材料參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 殼體的材料參數(shù)

按照臺架的邊界條件對殼體進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，臺架與離殼位置采用剛性連接，同時(shí)進(jìn)行全約束，變殼與離殼及罩蓋為剛性連接。 設(shè)置求解分析步保證所需的模態(tài)階數(shù)及所需的輸出項(xiàng)， 下一步對仿真分析模型進(jìn)行分析計(jì)算。 具體的有限元模型如圖1 所示。

圖1 殼體有限元模型

1.2 模態(tài)測試分析

通過仿真分析的結(jié)果確定測試的測點(diǎn)選擇或者通過LMS virtual.Lab 中的關(guān)聯(lián)性分析進(jìn)行測點(diǎn)的選擇，兩者方法都可以。 在此選用第一種方法進(jìn)行測點(diǎn)選取。 完成選取后搭建測試模型，如圖2 所示。

測試過程主要是在臺架上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 采用LMS test.Lab 軟件采集變速器殼體上各個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析識別模態(tài)參數(shù)有時(shí)域法和頻域法兩種，對于小阻尼系統(tǒng)，時(shí)域法更合適[4]。然后對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，得到其工作模態(tài)的分析結(jié)果。

圖2 殼體模態(tài)測試模型

1.3 模態(tài)分析數(shù)據(jù)對比

針對前期仿真分析的結(jié)果與測試分析的結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而驗(yàn)證仿真分析的精準(zhǔn)度，同時(shí)為下一步的振動(dòng)噪聲分析提供參考。

由于模態(tài)的分析頻率較多， 在此只選擇前三階的模態(tài)結(jié)果進(jìn)行對比，表2 為模態(tài)固有頻率的對比分析結(jié)果。

表2 仿真與測試固有頻率對比

通過對比分析可以看到， 仿真結(jié)果與測試得到的模態(tài)結(jié)果能夠很好的吻合，驗(yàn)證了模態(tài)仿真分析結(jié)果的可靠性。

2 振動(dòng)分析

進(jìn)行振動(dòng)分析通常有兩種方法： 直接頻率響應(yīng)分析和模態(tài)頻率響應(yīng)分析。本文采用模態(tài)頻率響應(yīng)分析，它通過模態(tài)疊加法利用模態(tài)振型得到計(jì)算結(jié)果。 根據(jù)模態(tài)分析得到的各個(gè)振型， 然后分別乘以模態(tài)參與因子疊加后得到振動(dòng)分析結(jié)果。 此方法對于后期仍用此模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行其他分析時(shí)可節(jié)省求解計(jì)算時(shí)間。

利用上面仿真分析得到的模態(tài)結(jié)果進(jìn)行變速器的振動(dòng)分析， 過程中可以采用LMS virtual.Lab 軟件導(dǎo)入變速器的振動(dòng)載荷數(shù)據(jù)， 利用載荷識別技術(shù)得到軸承孔的載荷，然后對變速器進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，得到變速器的分析結(jié)果。 過程中要對模態(tài)的阻尼進(jìn)行定義，本文采用2%的阻尼作為參考。為對比分析結(jié)果，在變速器仿真模型上進(jìn)行測點(diǎn)選取， 保證仿真分析所選點(diǎn)的位置與實(shí)際測試所選點(diǎn)的位置相同，選取殼體表面法向方向，然后對兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖3 振動(dòng)仿真與測試數(shù)據(jù)對比

從圖3 中可以看到測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的結(jié)果吻合，曲線較高的點(diǎn)是測試造成的單值點(diǎn)，不影響整體的分析結(jié)果。

將仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析， 得到較好的對比結(jié)果，從而驗(yàn)證了振動(dòng)分析的準(zhǔn)確性。

3 聲學(xué)響應(yīng)分析

聲學(xué)響應(yīng)分析包括有限元分析方法及邊界元分析方法[5]，這里主要采用邊界元法進(jìn)行聲學(xué)噪聲分析，將三維的振動(dòng)分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為二維分析數(shù)據(jù)， 有效的縮短了分析所需的時(shí)間同時(shí)也能保證分析的精度。

在變速器振動(dòng)分析完成后， 在此直接進(jìn)行聲學(xué)的響應(yīng)分析，如果對于批量的數(shù)據(jù)分析問題可以采用ATV 分析，從而減少分析所耗時(shí)間，但在本文中不予考慮，直接參照振動(dòng)的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分析。 首先，進(jìn)行聲學(xué)網(wǎng)格的創(chuàng)建， 聲學(xué)網(wǎng)格的大小依據(jù)每個(gè)波長大約為6 個(gè)單元進(jìn)行創(chuàng)建， 在LMS virtual.Lab 中可以直接設(shè)置自己關(guān)心的頻率帶寬，軟件自動(dòng)的識別所得到的網(wǎng)格大小。從而得到聲學(xué)網(wǎng)格模型，具體模型如圖4 所示。

在聲學(xué)網(wǎng)格劃分完成后， 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到聲學(xué)分析的模塊進(jìn)行聲學(xué)分析，構(gòu)建聲學(xué)模型，同時(shí)考慮地面的反射情況，建立的聲場模型如圖5 所示。

圖4 振動(dòng)仿真與測試數(shù)據(jù)對比

圖5 變速器聲場模型

對于變速器進(jìn)行聲學(xué)分析得到如下的分析云圖，從圖中可以直觀的了解到變速器的輻射噪聲值。 圖6 是在1900Hz 時(shí)的輻射聲壓云圖，由于各頻率云圖較多，不再多做贅述。

對于聲場中單個(gè)點(diǎn)的分析，下面選取變速器最上端的場點(diǎn)進(jìn)行分析，這里主要是對聲壓的結(jié)果進(jìn)行表述，同時(shí)進(jìn)行A 計(jì)權(quán)處理，得到的分析結(jié)果，如圖7所示。

從圖7 中可以看到，最高聲壓級為70dB（A）以下，表明符合設(shè)計(jì)要求。 同時(shí)根據(jù)分析得到的結(jié)果對變速器進(jìn)行板面貢獻(xiàn)量分析、傳函分析等，從而能夠?qū)υ肼暤膯栴}進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為后期的噪聲改善提供更精確的數(shù)據(jù)，在此不再進(jìn)行討論。

圖6 變速器輻射聲壓云圖

圖7 變速器輻射聲壓云圖

4 結(jié)論

針對變速器的仿真分析，建立了有效的分析思路，本文對分析的方法進(jìn)行了詳細(xì)的講解， 從而驗(yàn)證了分析方法的可行性。 通過分析可以看到殼體的振動(dòng)是噪聲輻射的主要激勵(lì)源，通過振動(dòng)噪聲分析可以對殼體的NVH 性能進(jìn)行定量分析。 后期在噪聲的改善中應(yīng)用板面貢獻(xiàn)量分析，確認(rèn)殼體產(chǎn)生噪聲的主要區(qū)域，為殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)，保證產(chǎn)品性能的提升。在噪聲分析中通過分析可以得到各個(gè)位置點(diǎn)的噪聲值大小， 從而方便對產(chǎn)品進(jìn)行評估，確認(rèn)是否滿足產(chǎn)品的使用要求。

通過上述的分析可以幫助我們使用仿真的手段進(jìn)行產(chǎn)品性能的評估及后期的改善， 這將大大縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期及成本。