CN102221402A - 低噪声微面汽车后驱动桥设计方法 - Google Patents

低噪声微面汽车后驱动桥设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低噪声汽车后驱动桥设计方法，在后桥桥壳上均匀设置80个振动测点，每个振动测点设置一个振动传感器；在后桥主减部位正上方用力捶施加激振，利用振动传感器获取各振动测点的振动数据，求解各振动测点的振动响应与敲击力信号之间的传递函数，进而得到后驱动桥总的传递函数，利用总的传递函数、结合后驱动桥结构模型进行模态拟合以及质量归一，识别出后驱动桥的模态参数；利用试验模态分析技术绘制选定阶数对应的各振动测点的固有频率对刚度的灵敏度数据；根据灵敏度曲线选取多个振动测点焊接金属块，从而完成了汽车后驱动桥的降噪优化。使用本发明能够解决微面汽车后驱动桥振动噪声过大、影响汽车NVH的问题。

Description

低噪声微面汽车后驱动桥设计方法
技术领域
本发明涉及微面汽车底盘驱动桥设计技术领域，具体涉及一种低噪声微面汽车后驱动桥设计方法。
背景技术
现有市场上销售的微面汽车后驱动桥普遍都存在振动大、噪声高，并影响车内乘坐舒适性的情况，究其原因主要在于汽车生产厂商设计微面汽车后驱动桥时没有掌握先进的结构动态设计理念。目前，公开的文件中还没有一种可以降低噪声的汽车后驱动桥设计方法。提供一种降低噪声的汽车后驱动桥设计方法是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种汽车后驱动桥设计方法，能够利用结构动力学修改技术来降低微面汽车后驱动桥噪声，解决微面汽车后驱动桥振动噪声过大、影响汽车NVH的问题。
为解决该技术问题，本专利采用的技术方案为：
步骤一、在后桥桥壳上设置80个振动测点，这80个振动测点均匀布置在后桥桥壳上；每个振动测点设置一个振动传感器；在主减速器壳体表面上方设置噪声测点；
步骤二、设定后桥主减部位正上方为力锤激振点，在激振点用力锤施加敲击，利用振动传感器获取各振动测点的振动数据，进而求解各振动测点的振动响应与激振力信号之间的传递函数；
步骤三、利用各振动测点的传递函数，得到后驱动桥总的传递函数，利用总的传递函数并结合后驱动桥结构模型进行模态拟合以及质量归一，从而识别出后驱动桥的模态参数；
步骤四、利用试验模态分析技术和灵敏度分析，针对选定的各阶，获取各振动测点的固有频率对刚度的灵敏度数据，并在显示界面上显示出灵敏度曲线，每一阶对应一个灵敏度曲线，每个灵敏度曲线通过连接各振动测点的灵敏度数据形成；选定的阶数为：Z方向的第7阶、第12阶、第16阶，Y方向的第4阶、第7阶、第12阶，X方向的第4阶、第7阶、第11阶；
步骤五、从所有灵敏度曲线的所有曲线峰值中，从大到小选取8个振动测点，并从中去除不可焊接金属块的振动测点；
步骤六、在选定的振动测点上焊接金属块，从而完成了汽车后驱动桥的降噪优化。
有益效果
本发明根据微面汽车实车道路振动噪声试验结果和后驱动桥台架振动噪声信号分析，结合后桥结构的有限元振动计算分析、后桥结构的试验模态分析、后桥结构的动力学修改分析、灵敏度分析，对后桥结构进行了修改。数据显示，采用本专利改进的低噪声微面后驱动桥的效果为：振动加速度降低30％以上，振动速度减低13％、噪声减低2dBA以上，达到国内先进水平。
附图说明
图1为本发明振动测点分布图。
图2为本发明后驱动桥X方向第7阶弯曲振动频率(770.651Hz)对刚度变化灵敏度曲线。
图3为本发明后驱动桥Z方向第7阶弯曲振动频率(412.155Hz)对刚度变化灵敏度曲线。
图4为本发明后驱动桥Y方向第7阶弯曲振动频率(689.975Hz)对刚度变化灵敏度曲线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，包括如下步骤：
步骤一、在后桥桥壳上设置80个振动测点，这80个振动测点均匀布置在后桥桥壳上，具体振动测点如图1所示；每个振动测点设置一个振动传感器。在进行实验前，要对各个传感器进行标定。例如，设置滤波频率2000Hz，采样频率为5000Hz，数据采样块数为4块，程控放大倍数4。
步骤二、设定后桥主减部位正上方即第40振动测点附近为力锤激振点，在激振点施加敲击，利用振动传感器获取各振动测点的振动数据，每个振动测点响应重复测量3次，进而求解各振动测点的振动响应与敲击力信号之间的传递函数。
在求传递函数时，对力信号加力窗，对振动响应信号加指数窗；通过选定实验测试系统的精度，保证各振动测点响应和力信号之间的传递函数的相干系数大于0.85。
步骤三、利用各振动测点的传递函数，选择集总平均方法得到后驱动桥总的传递函数，然后分别在Z、Y和X三个方向上给对应的传递函数定阶，得到的Z、Y和X三个方向的阶数依次为18阶、15阶和15阶；然后结合驱动桥结构模型和结构动力学原理进行模态拟合、质量归一，从而识别出后驱动桥Z、Y和X三个方向各阶的模态参数。
模态参数识别结果见表1至表3，包括Z方向上共18阶的模态参数，Y方向上共15阶的模态参数，以及X方向上共15阶的模态参数。每阶的模态参数包括：固有频率、阻尼比，以及决定各个节点振动大小比值的振型特征。
表1Z方向模态参数识别结果
  阶数   固有频率(Hz)   阻尼比(％)   振型特征
  1   19.722   14.266   后桥绕XOZ平面整体摆动
  2   90.655   5.166   后桥绕XOZ平面摆动
  3   142.944   4.232   后桥绕XOZ平面摆动
  4   204.828   9.874   桥包绕XOZ面摆动
  5   287.480   1.770   桥包呼吸振动
  6   346.620   4.766   与半轴连接处局部振动
  7   412.155   2.857   桥包呼吸振动，与半轴连接处局部振动
  8   474.490   8.492   桥包呼吸振动
  9   547.729   3.190   桥包呼吸振动
  10   587.425   7.485   桥包呼吸振动
  11   639.299   1.559   桥包弯曲振动
  12   774.264   4.362   后桥绕XOZ面弯扭振动
  13   929.652   3.750   后桥绕XOZ面振动
  14   1053.171   3.431   桥包呼吸振动，与半轴连接处局部振动
  15   1104.429   1.013   桥包绕XOZ面摆动
  16   1216.893   0.561   桥包在XOZ面内振动
  17   1648.002   1.978   后桥绕XOZ面振动
  18   1876.427   2.087   后桥在XOZ面内呼吸振动
表2Y方向模态参数识别结果
  阶数   固有频率(Hz)   阻尼比(％)   振型特征
  1   22.423   5.920   后桥整体绕XOZ面振动
  2   102.084   3.525   后桥整体绕XOZ面振动
  3   166.661   3.896   后桥整体绕XOZ面弯扭振动
  4   281.860   2.629   后桥整体绕XOZ面弯扭振动
  5   343.274   4.001   后桥在XOZ面摆动
  6   578.402   4.060   桥壳两端呼吸振动
  7   689.975   4.397   后桥在XOZ面内扭转振动
  8   800.895   2.054   后桥在XOZ面内扭转振动
  9   961.044   3.678   后桥呼吸振动
  10   1089.574   3.263   桥包呼吸振动
  11   1213.394   1.649   后桥绕XOZ面弯扭振动
  12   11254.792   1.496   后桥绕XOZ面弯扭振动
  13   1611.121   3.022   桥包呼吸振动
  14   1766.851   0.566   桥包在XOZ面内振动
  15   1895.258   1.992   后桥在XOZ面内摆动
表3X方向模态参数识别结果
  阶数   固有频率(Hz)   阻尼比(％)   振型特征
  1   30.887   5.074   后桥在XOY平面内摆动
  2   280.335   3.244   桥包绕YOZ面摆动
  3   340.792   2.908   后桥在XOZ面内摆动
  4   449.406   4.227   后桥在XOZ面内扭转振动
  5   551.611   3.729   后桥在XOZ面内振动
  6   674.172   3.295   桥包局部振动
  7   770.651   2.440   后桥在XOZ面内振动
  8   870.770   1.186   后桥在XOZ面内振动
  9   1000.428   3.027   后桥在XOZ面内振动
  10   1159.087   1.266   后桥在XOZ面内轻微振动
  11   1247.563   1.454   后桥在XOZ面内摆动
  12   1338.238   0.850   后桥在XOZ面内振动
  13   1615.237   1.806   后桥在XOZ面内轻微振动
  14   1772.601   0.885   后桥在XOZ面内摆动
  15   1863.828   0.944   后桥在XOZ面内摆动
步骤四、利用试验模态分析技术和灵敏度分析，针对选定的每一阶，获取各振动测点的固有频率对刚度的灵敏度数据，并在显示界面上显示出灵敏度曲线，每一阶对应一条灵敏度曲线，每条灵敏度曲线通过连接各振动测点的灵敏度数据形成。
其中，试验模态分析技术可以采用现有模态分析软件的动力学修改模块，或根据实验模态分析技术用VB、VC或MATLAB自行编制的动力学修改软件，这些软件或模块能够通过对模态参数的分析，得到各阶固有频率对刚度的灵敏度曲线数据。
本步骤所述选定阶数根据表1至表3中的数据确定，具体来说：
根据振动理论，当传动轴旋转频率或后桥齿轮的啮合激振频率或轴承的旋转通过激振频率与后桥系统结构模态固有频率一致或接近时，就会引起该系统的共振，并引起较大的振动辐射声，向车内或车外道路两旁传播。因此从汽车NVH的角度来评价后桥系统设计水平来说，就是要看该系统的模态固有频率是否避开了汽车行驶时后桥系统各种激振频率。
某微面汽车在行驶时，车速变化范围很宽，且变速器还分为I、II、III、IV、V、VI六个档位。根据整车加速行驶和匀速行驶时车内噪声信号分析结果，车内噪声信号最高时对应的传动轴转速大约在1800rpm-2765rpm范围内，这时候传动轴可能的激振频率为30-48Hz、60-96Hz、90-138Hz等；后桥主减齿轮的激振频率大约在270-432Hz、540-864Hz、810Hz-1296Hz、...。因此，根据表1至表3可知，后桥系统Z方向的第7阶、第12阶、第16阶，Y方向的第4阶、第7阶、第12阶，以及X方向的第4阶、第7阶、第11阶的模态固有频率在上述激振频率范围内，因此以上各阶的模态固有频率都有可能被激发出来，使后桥产生振动辐射噪声。因此利用模态分析软件的动力修改模块，得出各阶固有频率对刚度的灵敏度分析报告，进而绘制出这几阶振动频率对刚度的灵敏度曲线。
步骤五、从所有灵敏度曲线的所有曲线峰值中，从大到小选取8个峰值，获得8个峰值对应的针对测点区间，并从中去除不可焊接金属块的振动测点区间。
从图2至图4示出的灵敏度曲线可以看出，后驱动桥壳体X方向第7阶弯曲振动频率(770.651Hz)对刚度变化的灵敏度最小(见图2)；驱动壳体Z方向第7阶弯曲振动频率(412.155Hz)对刚度变化的灵敏度最大(见图3)，Y方向第7阶弯曲振动频(689.975HZ)对刚度变化的灵敏度次之(见图4)，曲线峰值对应的节点(即振动测点)区间为：9至10，42至43，43至44，44至45，46至47，47至48，48至49，57至58，因此需要在这些节点区间内进行焊接加工，以达到对后桥结构动力学修改、降低噪声的目的。
在选定节点区间后，还需要从中去除不可焊接金属块的振动测点区间，不可焊接金属块的位置包括影响后桥装配、注油的位置，例如润滑油注油口、润滑油观察孔等。
步骤六、在选定的振动测点区间上焊接金属块，从而完成了汽车后驱动桥的降噪优化。
本实施例中，对于后驱动桥上的48至49测点区间是不可焊接金属块的振动测点区间，因此排除这两个区间后，在后驱动桥桥壳上焊接七块金属块，它们的具体位置(从驱动桥正面看，且以最右端面中心为坐标原点(0，0，0))为：
后桥主减壳体上方焊接两个金属块，它们分别距离原点559mm(坐标为550，90，44mm)、658mm(坐标为648，116，4mm)；重量分别为300g、220g；
主减壳体背部右侧焊接三个金属块，它们分别距离原点738mm(坐标为736，-19，52mm)、738mm(坐标为736，19，52mm)、758mm(坐标为756，2，52mm)；重量分别为200g、200g、200g；
主减壳体正面左侧焊接一个金属块，距离原点753mm(坐标为751，25，-41mm)，重量为220g；
后驱动桥左侧减震器支架上方焊接一个金属块，距离原点1055mm(坐标为1054，35，24mm)，重量为220g。
在后桥壳体上焊接了以上七块金属块后，改变了后驱动桥结构的模态参数，降低了后桥振动辐射噪声。
表5至表6展示了国家标准-整车50Km/h匀速行驶即输出轴换算到传动轴的转速为2304rpm时，后桥结构修改优化前后振动加速度、噪声试验结果的比较。在噪声试验中，在主减速器桥包壳体正前方等位置设置噪声测点，通过在噪声测点采集后驱动桥优化前后的噪声从而实现噪声试验结果的比较。综合考虑各种因素，试验确定噪声测点距离后桥主减壳体桥包轮廓表面正前方50cm。
表7展示了国家标准-整车50Km/h匀速行驶即输出轴换算到传动轴的转速为2304rpm时，后桥结构修改优化前后振动速度试验结果的比较。
表5至表7中1#、2#、3#、4#噪声测点分别布置在距离驱动桥左半轴轴承座、主减速器桥包壳体正前方、驱动桥右半轴轴承座、传动轴联接轴承座50cm位置；1#、2#、3#、4#振动加速度和振动速度测点分别布置在驱动桥左半轴轴承座、主减速器桥包壳体上、驱动桥右半轴轴承座、传动轴联接轴承座位置处。
表5车速50Km/h下结构修改优化前后后桥系统特征点噪声测试结果比较
表6车速50Km/h下结构修改优化前后后桥系统特征点振动加速度测试结果比较
Figure BDA0000071265880000072
Figure BDA0000071265880000081
表7车速50Km/h下结构修改优化前后后桥系统特征点振动速度测试结果比较
结论
1)由实验结果表5至表7可以看出，改进后的后桥系统特征点处各个测点的振动加速度、振动速度和噪声与未改进后桥系统的振动加速度、振动速度和噪声均值都有所降低，其中距离后桥主减桥包壳体表面正前方0.5m处噪声降低了4.0dBA、主减位置的振动加速度均方根值降低了31.3％、主减表面位置的振动速度均方根值降低了13.0％。1#测点位置的振动加速度、振动速度均方根值和噪声分别降低了42.7％、31.3％和2.5dBA。3#测点位置的振动加速度、振动速度均方根值和噪声分别降低了21.5％、25.7％和2.2dBA。传动轴与驱动电机之间的轴承座在更换了支承轴和低噪声轴承后，4#测点位置的振动加速度、振动速度均方根值和噪声分别降低了49.4％、50.0％和5.2dBA。
2)分析结构动力学修改优化后后桥传动轴系统特征点的振动加速度、振动速度频域图可知，改进后后桥噪声和表面振动主要峰值频率大约为77.4Hz、114.9Hz、229.7Hz等，它们分别对应传动轴旋转两倍频和三倍频，而由准双曲面齿轮啮合引起的桥壳振动及振动辐射噪声频率已大大削弱，故后桥整体的振动及噪声都有所下降。
3)试验结果表明本文采用的基于试验模态基础上的结构动力修改优化技术是成功的，达到国内先进水平。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在后桥桥壳上设置80个振动测点，这80个振动测点均匀布置在后桥桥壳上；每个振动测点设置一个振动传感器；
步骤二、设定后桥主减部位正上方即第40振动测点附近为激振点，在激振点施加激振，利用振动传感器获取各振动测点的振动数据，进而求解各振动测点的振动响应与敲击力信号之间的传递函数；
步骤三、利用各振动测点的传递函数，得到后驱动桥总的传递函数，然后分别在垂直Z方向、左右Y方向和前后X方向共三个方向上给对应的传递函数定阶，得到的Z、Y和X三个方向的阶数依次为18阶、15阶和15阶；然后结合并驱动桥结构模型和结构动力学原理进行模态拟合、质量归一，从而识别出后驱动桥Z、Y和X三个方向各阶的模态参数；
步骤四、利用试验模态分析技术和灵敏度分析，针对选定的每一阶，获取该阶的固有频率对各振动测点刚度变化的灵敏度数据，并在显示界面上绘制出各阶的灵敏度曲线，每一阶对应一条灵敏度曲线，每条灵敏度曲线通过连接各振动测点的灵敏度数据形成；
步骤五、从所有灵敏度曲线的所有曲线峰值中，从大到小选取8个峰值，获得8个峰值对应的针对测点区间，并从中去除不可焊接金属块的振动测点区间；
步骤六、在选定的振动测点上焊接金属块，从而完成了汽车后驱动桥的降噪优化。
2.如权利要求1所述的低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，其特征在于，所述不可焊接金属块的振动测点区间包括：影响后桥装配、注油的位置。
3.如权利要求2所述的低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，其特征在于，影响注油的位置包括：润滑油注油口、润滑油观察孔。
4.如权利要求1所述的低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，其特征在于，所述试验模态分析技术采用现有模态分析软件的动力学修改模块实现。
5.如权利要求1所述的低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，其特征在于，该方法进一步包括对改进前后的后驱动桥噪声进行对比：
在主减速器桥包壳体表面正前方设置噪声测点；在噪声测点采集后驱动桥优化前后的噪声。
6.如权利要求1所述的低噪声微面汽车后驱动桥设计方法，其特征在于，所述噪声测点的设置位置为：噪声测点距离后桥主减壳体桥包轮廓表面正前方50cm。
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