陳志強(qiáng)，羅敏強(qiáng)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

變速器是汽車主要的噪聲源之一，掌握變速器的振動噪聲特性不僅可以使降噪措施有的放矢，而且可以有效地減少變速器開發(fā)的周期和成本，因此對變速器輻射噪聲特性的研究具有工程實(shí)用價(jià)值［1－7］。目前國內(nèi)外學(xué)者在變速器噪聲研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，有限元方法、傳統(tǒng)邊界元方法得到了廣泛研究和應(yīng)用。有限元方法是應(yīng)用變分原理預(yù)估聲輻射問題的有效方法，特別對封閉腔體聲特性的研究具有顯著優(yōu)勢，但這種方法只適合預(yù)估低頻噪聲［8－9］;傳統(tǒng)邊界元方法是利用邊界積分方程在邊界上分元離散進(jìn)行求解的方法，對無限域求解問題具有明顯優(yōu)勢［10－11］。但不管是有限元方法還是傳統(tǒng)邊界元方法，如果工況有所改變，那么就必須進(jìn)行全頻率的重新計(jì)算，這將耗費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算資源。MATV方法是一種全新的邊界元方法，該方法基于聲傳遞向量概念，只要變速器的外形、場點(diǎn)空間條件不變，聲傳遞向量值就不會改變，即不需要進(jìn)行全頻率的重復(fù)計(jì)算，這對于處于開發(fā)階段的變速器振動特性研究將會節(jié)省大量計(jì)算資源。

變速器是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，本研究的重點(diǎn)是變速器輻射噪聲特性，為此設(shè)計(jì)了一款只包含兩個(gè)擋位的三軸式實(shí)驗(yàn)變速器。以圖1所示的實(shí)驗(yàn)變速器為研究對象，綜合考慮齒輪系統(tǒng)的內(nèi)部激勵、外部激勵，運(yùn)用剛?cè)狁詈戏椒ń⒆兯倨髡駝宇A(yù)測模型，然后基于MATV方法建立聲學(xué)模型，預(yù)估變速器升速工況下的輻射噪聲，研究變速器輻射噪聲特性。

圖1 實(shí)驗(yàn)變速器

1 變速器剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型

1.1 振動仿真模型建立

利用LMS virtual lab軟件根據(jù)齒輪、軸、軸承、箱體之間的實(shí)際連接關(guān)系以及材料屬性建立整個(gè)變速器的多體動力學(xué)模型，各零件之間的連接關(guān)系如表1所示。

表1 各零件間連接關(guān)系

為準(zhǔn)確獲得箱體表面的振動信號，在建立變速器的多體動力學(xué)模型后，有必要對變速器箱體進(jìn)行柔性化處理。利用Hypermesh軟件對箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接著采用Nastran求解器獲取Craig Bampton模態(tài)結(jié)果，在LMS virtual lab中將箱體剛體模型柔性化。箱體柔性化后的變速器模型如圖2所示。

圖2 箱體柔性化后的變速器模型

1.2 升速工況下振動仿真結(jié)果

升速仿真的轉(zhuǎn)速通過LMS Virtual Lab中的掃頻功能進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速從600 r/min升至2 000 r/min，間隔100 r/min，負(fù)載扭矩為40 N·m。仿真得到的輸入軸轉(zhuǎn)速如圖3所示。

圖3 輸入軸轉(zhuǎn)速

圖4給出了變速器測點(diǎn)1處(如圖2所示)振動加速度三維譜圖。由于承載齒輪嚙合頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，所以通常使用階次來描述嚙合頻率在變轉(zhuǎn)速下的特征。以輸入軸轉(zhuǎn)速為第1階次，其他旋轉(zhuǎn)部件的階次如表2所示。圖4中的振動三維譜圖同時(shí)給出了階次坐標(biāo)，從圖中可以很明顯看出承載齒輪對z1z2和z3z4的階次成分(27和19.28)。除此之外，在1 600 Hz與2 400 Hz之間存在著不隨轉(zhuǎn)速變化的成分(圖中橢圓區(qū)域)。由分析可知，這主要是由于嚙合頻率引起箱體共振的固有頻率成分，是不隨轉(zhuǎn)速變化而變化的。

表2 各旋轉(zhuǎn)部件階次

圖4 振動加速度三維譜圖

2 MATV方法原理

傳統(tǒng)聲學(xué)問題的核心是線性假設(shè)，無論是時(shí)域的波動方程還是頻域的Helmholtz方程都是在小壓力擾動假設(shè)下由質(zhì)量和慣量表示的線性方程獲得的。聲學(xué)問題中這種輸入輸出線性關(guān)系可以表示為［12］

其中:p為空間聲場聲壓;{ATV}為聲傳遞向量;vn為結(jié)構(gòu)表面法線方向上的振動速度;ω為角頻率。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)位移可以表示為

其中:{u}是結(jié)構(gòu)位移響應(yīng);［Φ］是由結(jié)構(gòu)模態(tài)向量組成的矩陣;{MRSP(ω)}是由模態(tài)參與因子構(gòu)成的向量。

將結(jié)構(gòu)的位移向量{u}投影到結(jié)構(gòu)表面的法線方向上，就可以得到結(jié)構(gòu)在法線方向的振動速度響應(yīng):

其中［Φn］是由結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)在結(jié)構(gòu)表面法線方向上的分矢量組成的矩陣。

結(jié)合式(1)、(3)可得聲場中任意點(diǎn)處的聲壓為

其中{MATV(ω)}T是模態(tài)聲傳遞向量，其表達(dá)式為

3 基于MATV噪聲仿真結(jié)果

3.1 聲學(xué)模型

LMS Virtual Lab具有強(qiáng)大的邊界元網(wǎng)格生成功能，其中的網(wǎng)格粗化(mesh carsening)模塊可以快速、準(zhǔn)確地生成邊界元網(wǎng)格。同時(shí)對變速器箱體進(jìn)行聲輻射預(yù)估，需要在其周圍定義場點(diǎn)網(wǎng)格。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3768—199定義半圓罩型場點(diǎn)網(wǎng)格，結(jié)果如圖5所示。

3.2 聲學(xué)仿真結(jié)果

圖6給出了場點(diǎn)1聲壓隨轉(zhuǎn)速變化的三維譜圖，圖中標(biāo)出了承載齒輪階次成分(27與19.28)，共振頻率帶中除了1 600 Hz至2 400 Hz外，2 400 Hz與3 000 Hz之間也出現(xiàn)了明顯的共振帶。由分析可知，這些主要是箱體上蓋的固有頻率，可見箱體上蓋的振動對場點(diǎn)1的輻射聲壓產(chǎn)生了影響。所以，變速器承載齒輪嚙合頻率和箱體共振頻率對噪聲輻射影響極大。

圖5 半圓罩型場點(diǎn)網(wǎng)格

圖6 場點(diǎn)1聲壓三維譜圖

4 變速器振動噪聲

實(shí)驗(yàn)變速器振動噪聲實(shí)驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的小型傳動實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，傳動實(shí)驗(yàn)臺如圖7所示。測試所用到的主要儀器設(shè)備如表3所示。

圖7 傳動實(shí)驗(yàn)臺

表3 實(shí)驗(yàn)儀器

振動加速度傳感器布置位置與測點(diǎn)1位置一致，聲壓傳感器布置位置與場點(diǎn)1位置一致。測試得到輸入軸轉(zhuǎn)速信號如圖8所示，振動加速度和聲壓的三維譜圖如圖9和圖10所示。

圖8 輸入軸轉(zhuǎn)速信號

對比圖9振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖4的振動仿真結(jié)果可以看出:實(shí)驗(yàn)與仿真都在1 600 Hz與2 400 Hz之間出現(xiàn)了明顯的共振帶，都存在承載齒輪對的階次成分(27與19.28)，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見在300 Hz與750 Hz之間還存在輕微的共振。由分析可知，這主要是由箱體上蓋以及實(shí)驗(yàn)臺架上一塊加固鋼板的共振引起的。

對比圖10噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖6的噪聲仿真結(jié)果可以看出:實(shí)驗(yàn)與仿真都在1 600 Hz與3 000 Hz之間存在明顯的共振帶，都存在承載齒輪對的階次成分(27與19.28)。受實(shí)驗(yàn)臺架固定鋼板共振的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖10中300 Hz至700 Hz之間存在明顯共振帶。

對比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果幅值，很明顯發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)幅值比仿真大很多，這是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)變速器加工比較粗劣，齒輪精度不高，箱體使用焊接方法拼接，無法保證安裝精度，實(shí)驗(yàn)響應(yīng)幅值仍然比仿真大很多，但是實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出來的特征頻率成分(齒輪嚙合頻率、箱體共振頻率和傳動軸調(diào)制頻率)與仿真結(jié)果基本是一致的，表明所建立的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型和聲學(xué)仿真方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語

運(yùn)用多體動力學(xué)剛?cè)狁詈戏椒ê蚆ATV聲學(xué)預(yù)估方法建立了可以預(yù)測變速器振動噪聲特性的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型和聲學(xué)仿真模型。仿真研究了升速工況下的振動噪聲。仿真結(jié)果表明變速器承載齒輪嚙合頻率、箱體共振頻率對變速器振動輻射噪聲影響較大。

研究了實(shí)驗(yàn)變速器升速工況下的振動噪聲。從振動噪聲的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)與仿真都在1 600 Hz與2 400 Hz之間出現(xiàn)了明顯的共振帶，都存在承載齒輪對的階次成分(27與19.28)，驗(yàn)證了MATV預(yù)估噪聲方法的有效性。

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