基于設(shè)計(jì)生產(chǎn)閉環(huán)控制的乘用車驅(qū)動(dòng)橋NVH優(yōu)化方法

高洪彪 張鵬 武子濤 王凱 王志明 馮忠義 史同杰 高浩元

(中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院,長春市 130013)

0 前言

驅(qū)動(dòng)橋是乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分,起到降速、增扭、改變動(dòng)力傳遞方向的作用;由于處于傳動(dòng)系末端,承受扭矩工況惡劣、復(fù)雜,其要同時(shí)滿足疲勞耐久、NVH表現(xiàn)等諸多要求。隨著客戶要求的日益提高以及技術(shù)進(jìn)步,乘用車噪聲品質(zhì)要求日益嚴(yán)苛,如何在兼顧疲勞耐久壽命前提下,提升驅(qū)動(dòng)橋NVH表現(xiàn),是驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)的重要考量因素,也是提升整車NVH表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。

螺旋錐齒輪副作為驅(qū)動(dòng)橋噪聲問題的主要來源,其傳遞機(jī)理為由齒輪副嚙合偏差產(chǎn)生的傳遞誤差引起齒輪振動(dòng),通過軸承傳遞到殼體,由結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生聲輻射,從而形成噪聲。因此,降低齒輪傳遞誤差、優(yōu)化系統(tǒng)剛度、降低峰值響應(yīng)成為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋NVH的主要方法。

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度,應(yīng)用系統(tǒng)仿真軟件MASTA、結(jié)合螺旋錐齒輪專用設(shè)計(jì)軟件Gems/Kimos,可以從源頭上統(tǒng)籌開展激勵(lì)源、傳遞路徑、振動(dòng)響應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化,從而達(dá)成預(yù)測(cè)振動(dòng)噪聲風(fēng)險(xiǎn)的目的;在提升產(chǎn)品NVH品質(zhì)的同時(shí),將NVH開發(fā)提前到產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定前,將極大減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期及試驗(yàn)周期。

從生產(chǎn)加工角度,國內(nèi)乘用車螺傘齒輪熱后精加工除了采用磨齒工序外,通常還會(huì)增加研齒工序。一方面,通過研齒工藝改善接觸區(qū)形態(tài),優(yōu)化傳遞誤差,一定程度提高總成噪聲表現(xiàn);另一方面,研齒工藝也會(huì)少許改變齒面形貌,通過閉環(huán)控制手段,將研齒工藝形成的實(shí)際齒貌進(jìn)行仿真分析,獲取基于實(shí)際齒貌的齒輪副傳遞誤差特性、驅(qū)動(dòng)橋NVH特性,從而實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪的設(shè)計(jì)生產(chǎn)閉環(huán)控制,這對(duì)于乘用車驅(qū)動(dòng)橋NVH性能開發(fā)是非常有意義的。

以某乘用車驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品為例,本文通過零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真分析、生產(chǎn)工藝優(yōu)化及閉環(huán)控制等手段,實(shí)現(xiàn)總成NVH優(yōu)化,取得了良好效果,經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,證明了本方法的有效性和可行性,極具推廣價(jià)值。

1 問題描述

本文研究的驅(qū)動(dòng)橋總成進(jìn)行臺(tái)架NVH試驗(yàn)過程中,在驅(qū)動(dòng)工況輸入轉(zhuǎn)速4 200 r/min時(shí),出現(xiàn)齒輪嚙合階次超標(biāo)問題,超出大約6 dBA。

同批次驅(qū)動(dòng)橋總成裝車后,在整車NVH主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)過程中,在驅(qū)動(dòng)工況140 km/h(對(duì)應(yīng)主齒輸入轉(zhuǎn)速4 200 r/min左右),車內(nèi)可以感知到嘯叫噪聲;通過客觀測(cè)試識(shí)別到12階階次噪聲明顯,與總計(jì)值差值較小,階次噪聲不滿足要求。

臺(tái)架試驗(yàn)和整車測(cè)試的滑行工況,主客觀測(cè)試均沒有問題。

通過臺(tái)架試驗(yàn)、整車測(cè)試可以發(fā)現(xiàn),NVH問題均明確指向驅(qū)動(dòng)工況、尤其是140 km/h(對(duì)應(yīng)主齒輸入轉(zhuǎn)速4 200 r/min左右)車速段,以此為導(dǎo)向開展系統(tǒng)性問題排查及NVH優(yōu)化工作。

2 問題分析

2.1 驅(qū)動(dòng)橋噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

為滿足螺旋錐齒輪加載后彎曲疲勞、接觸疲勞性能,齒輪副需要進(jìn)行齒面微觀修形設(shè)計(jì),從而導(dǎo)致齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳遞誤差;另一方面,主減速器殼體在受載后的變形會(huì)導(dǎo)致齒輪副產(chǎn)生錯(cuò)位量,也會(huì)影響傳遞誤差。

傳遞誤差是驅(qū)動(dòng)橋總成噪聲的激勵(lì)源,其引起的動(dòng)態(tài)嚙合力變化通過軸承等傳遞路徑傳遞到殼體;經(jīng)系統(tǒng)響應(yīng)后,產(chǎn)生振動(dòng)以及聲輻射噪聲。

2.2 總成系統(tǒng)模型搭建

利用Masta軟件,建立該驅(qū)動(dòng)橋總成的仿真分析模型,其中,主減速器殼采用全有限元方式導(dǎo)入,在Masta中運(yùn)行縮聚,獲得主減速器殼準(zhǔn)確的剛度、質(zhì)量和模態(tài)信息,從而獲得準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)仿真模型;螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由GEMS/KIMOS等齒輪設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)入,行業(yè)內(nèi)通常采用原始的、理論的齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),這樣可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性,并以此為依據(jù)按需開展齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化。

上述仿真分析模型,還可以生成不同載荷階段的齒輪副錯(cuò)位量信息,用于指導(dǎo)齒輪副微觀修形設(shè)計(jì)。

2.3 齒輪設(shè)計(jì)回顧

考慮導(dǎo)入有限元?dú)んw時(shí)的齒輪副錯(cuò)位量,結(jié)合齒輪加載后變形趨勢(shì),確定齒輪副的正驅(qū)空載接觸區(qū):齒長方向位于中間偏小端;齒高方向位于中間。

設(shè)計(jì)空載傳動(dòng)誤差為40 μrad左右。

2.4 齒輪加工

本文研究的齒輪在磨齒工序后加入了研齒工序。 同批次成品齒輪副的齒貌:從動(dòng)錐齒輪齒貌相對(duì)于理論齒貌的吻合度依舊很好;主動(dòng)錐齒輪齒貌相對(duì)理論齒貌有一定差異。

在滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接觸區(qū)確認(rèn),實(shí)際接觸區(qū)與理論接觸區(qū)有一定差異,實(shí)際接觸區(qū)更接近于倒三角形狀,而理論接觸區(qū)為菱形。

成品齒輪副實(shí)際齒貌、實(shí)際接觸區(qū)形態(tài)均與理論設(shè)計(jì)有所差異。相比于基于原始理論設(shè)計(jì)的仿真分析,通過基于實(shí)際齒貌的仿真分析,獲取基于實(shí)際齒貌的齒輪副傳遞誤差特性、驅(qū)動(dòng)橋NVH特性,可以更加準(zhǔn)確的分析噪聲問題點(diǎn),針對(duì)性采取噪聲優(yōu)化手段,對(duì)產(chǎn)品開發(fā)更具有指導(dǎo)意義。

2.5 基于實(shí)際齒貌狀態(tài)的齒輪特性分析

基于實(shí)際測(cè)量的齒面誤差數(shù)據(jù),利用GEMS軟件,將齒輪副的實(shí)際齒貌,反調(diào)為理論齒貌,形成基于實(shí)際齒貌的設(shè)計(jì)文件;以此為基礎(chǔ),利用GEMS軟件,進(jìn)行接觸分析,如圖14,仿真接觸區(qū)結(jié)果與齒輪副實(shí)際接觸區(qū)吻合很好。結(jié)合MASTA軟件的錯(cuò)位量信息,進(jìn)行加載接觸分析計(jì)算。

圖1 臺(tái)架噪聲測(cè)試結(jié)果-驅(qū)動(dòng)

圖2 臺(tái)架噪聲測(cè)試結(jié)果-滑行

圖3 整車噪聲測(cè)試結(jié)果-140km/h勻速驅(qū)動(dòng)

圖4 噪聲產(chǎn)生機(jī)理

圖5 驅(qū)動(dòng)橋總成仿真分析模型

圖6 空載接觸區(qū)設(shè)計(jì)

圖7 空載傳遞誤差設(shè)計(jì)

圖8 理論設(shè)計(jì)滿載接觸區(qū)

圖9 理論設(shè)計(jì)滿載傳遞誤差

圖10 從動(dòng)錐齒輪實(shí)際齒貌

圖11 主動(dòng)錐齒輪實(shí)際齒貌

圖12 齒輪副實(shí)際接觸區(qū)

圖13 原樣件基于實(shí)際齒貌的空載接觸區(qū)

圖14 原樣件基于實(shí)際齒貌的空載傳遞誤差

圖15 原樣件基于實(shí)際齒貌的滿載接觸區(qū)

圖16 原樣件基于實(shí)際齒貌的滿載傳遞誤差

圖17 研齒工藝路徑優(yōu)化

圖18 研齒后齒輪副接觸區(qū)

圖19 研齒優(yōu)化件基于實(shí)際齒貌的空載接觸區(qū)

圖20 研齒優(yōu)化件基于實(shí)際齒貌的空載傳遞誤差

圖21 研齒優(yōu)化件基于實(shí)際齒貌的滿載接觸區(qū)

圖22 研齒優(yōu)化件基于實(shí)際齒貌的滿載傳遞誤差

通過對(duì)比原始設(shè)計(jì)文件與基于實(shí)際齒貌的設(shè)計(jì)文件仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn):實(shí)際加工的齒輪空載接觸區(qū)偏齒頂,在加載后齒輪嚙合最大應(yīng)力值出現(xiàn)在齒頂部,相對(duì)應(yīng)地,齒輪加載傳遞誤差值也遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)。

基于上述結(jié)論,本文通過研齒優(yōu)化的方式,針對(duì)性地改善齒輪副接觸區(qū)形態(tài),從而改進(jìn)實(shí)際傳遞誤差狀態(tài)。

3 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

3.1 研齒加工工藝優(yōu)化

研齒不僅可以改善磨齒后的齒面微觀狀態(tài),經(jīng)過良好研齒的齒輪能夠顯著優(yōu)化接觸區(qū)形態(tài)、糾正不良接觸區(qū),從而使齒輪副嚙合更加平穩(wěn),起到降低、甚至消除齒輪副嘯叫噪聲的作用。

基于前期試制齒輪副實(shí)際接觸區(qū)形態(tài)及仿真結(jié)果,從多方面制定研齒工藝優(yōu)化策略:降低扭矩、增加循環(huán)次數(shù),在減小扭矩波動(dòng)前提下,提升表面質(zhì)量;增加齒頂研齒循環(huán),減輕從齒齒頂接觸;優(yōu)化研齒路徑,改善接觸區(qū)形態(tài)。

從齒輪滾動(dòng)檢測(cè)結(jié)果可以看出,研齒工藝優(yōu)化后,齒輪接觸區(qū)改善明顯:圓潤飽滿,位置適中。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

齒輪進(jìn)行研齒優(yōu)化后,同樣利用GEMS軟件,將研齒優(yōu)化后的實(shí)際齒貌反調(diào)為新的理論齒貌,以此為基礎(chǔ),計(jì)算其空載傳遞誤差,結(jié)合MASTA軟件的錯(cuò)位量信息,計(jì)算加載傳遞誤差。

從仿真效果看,研齒工藝優(yōu)化后的齒輪傳遞誤差降低明顯,基本達(dá)到了原設(shè)計(jì)水平,甚至在加載傳遞誤差表現(xiàn)方面略優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

3.3 齒輪副噪聲和傳遞誤差檢測(cè)結(jié)果及對(duì)比

從檢測(cè)結(jié)果可以看出,優(yōu)化后齒輪副的噪聲和傳遞誤差均有明顯改善。

表1 原樣件傳遞誤差模擬結(jié)果

表2 研齒優(yōu)化后傳遞誤差模擬結(jié)果

3.4 總成裝配

齒輪裝配的優(yōu)劣對(duì)總成NVH表現(xiàn)也有著很大的影響。在實(shí)際裝配中,一般保證齒輪側(cè)隙在要求范圍內(nèi),齒輪接觸區(qū)形態(tài)與齒輪副加工完成進(jìn)行的滾動(dòng)檢測(cè)結(jié)果保持一致。

研齒優(yōu)化件在總成狀態(tài)下接觸區(qū)形態(tài)如圖23,與齒輪副本身一致。

圖23 研齒優(yōu)化件裝配總成后接觸區(qū)

圖24 臺(tái)架噪聲測(cè)試結(jié)果-驅(qū)動(dòng)

圖25 臺(tái)架噪聲測(cè)試結(jié)果-滑行

圖26 整車噪聲測(cè)試結(jié)果-140 km/h勻速驅(qū)動(dòng)

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)橋總成先后進(jìn)行臺(tái)架NVH試驗(yàn)、整車NVH主、客觀評(píng)價(jià)。

從臺(tái)架NVH試驗(yàn)可以看出,改進(jìn)效果明顯;全轉(zhuǎn)速段階次噪聲均大幅降低,尤其是4 200 r/min轉(zhuǎn)速段,相比改進(jìn)前階次噪聲降低8 dB以上。

整車NVH主觀評(píng)價(jià),在驅(qū)動(dòng)工況全車速段沒有嘯叫噪聲;通過客觀測(cè)試識(shí)別的12階階次噪聲,與總計(jì)值差值較大,以140 km/h(對(duì)應(yīng)主齒輸入轉(zhuǎn)速4 200 r/min左右)為例,差值接近20 dB。

臺(tái)架試驗(yàn)和整車測(cè)試的滑行工況,主、客觀測(cè)試均沒有問題。

綜合來看,改進(jìn)效果顯著。

4 結(jié) 論

本文以某乘用車驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?針對(duì)其在臺(tái)架NVH測(cè)試不合格、整車NVH測(cè)試中出現(xiàn)嘯叫的問題,采用設(shè)計(jì)生產(chǎn)閉環(huán)控制的NVH優(yōu)化方法,針對(duì)項(xiàng)目開展實(shí)際情況,通過研齒工藝優(yōu)化方式,改善了齒輪接觸區(qū)形態(tài),提升驅(qū)動(dòng)橋總成NVH性能,實(shí)現(xiàn)了結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)的閉環(huán)仿真能力提升與問題解決。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,本方法行之有效,為驅(qū)動(dòng)橋NVH優(yōu)化提供了新的可行思路,最終總結(jié)如下:

(1)螺旋錐齒輪實(shí)際加工誤差在一定程度上影響驅(qū)動(dòng)橋總成NVH表現(xiàn),相比商用車齒輪用途而言,乘用車用途齒輪NVH特性更敏感,加之乘用車對(duì)NVH特性要求更高,因此,對(duì)于乘用車用螺旋錐齒輪的加工誤差(比如接觸區(qū)等)控制需要更嚴(yán)格。

(2)驅(qū)動(dòng)橋NVH優(yōu)化,需要從多維度統(tǒng)籌考慮,產(chǎn)品設(shè)計(jì)(齒輪設(shè)計(jì)、殼體設(shè)計(jì)等)、零部件質(zhì)量(齒輪副接觸區(qū)、殼體孔位加工精度等)、總成裝配等方面;優(yōu)化措施的選擇,需要根據(jù)系統(tǒng)排查結(jié)論、結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際開展情況,確定合理、有效的解決措施;最終目的是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋總成狀態(tài)最大化達(dá)成設(shè)計(jì)意圖,從而發(fā)揮產(chǎn)品的最佳性能。

(3)仿真措施日趨完善,將GEMS/KIMOS等齒輪設(shè)計(jì)軟件與MASTA系統(tǒng)仿真軟件結(jié)合,可以進(jìn)行基于齒輪實(shí)際加工狀態(tài)的NVH仿真計(jì)算;經(jīng)驗(yàn)證,該仿真計(jì)算準(zhǔn)確,從而可以通過針對(duì)性的選擇優(yōu)化措施,最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)閉環(huán)控制的NVH仿真計(jì)算優(yōu)化。