基于設計生產閉環控制的乘用車驅動橋NVH優化方法

高洪彪 張鵬 武子濤 王凱 王志明 馮忠義 史同杰 高浩元

(中國第一汽車集團有限公司研發總院,長春市 130013)

0 前言

驅動橋是乘用車傳動系統的重要組成部分,起到降速、增扭、改變動力傳遞方向的作用;由于處于傳動系末端,承受扭矩工況惡劣、復雜,其要同時滿足疲勞耐久、NVH表現等諸多要求。隨著客戶要求的日益提高以及技術進步,乘用車噪聲品質要求日益嚴苛,如何在兼顧疲勞耐久壽命前提下,提升驅動橋NVH表現,是驅動橋開發的重要考量因素,也是提升整車NVH表現的關鍵因素之一。

螺旋錐齒輪副作為驅動橋噪聲問題的主要來源,其傳遞機理為由齒輪副嚙合偏差產生的傳遞誤差引起齒輪振動,通過軸承傳遞到殼體,由結構振動產生聲輻射,從而形成噪聲。因此,降低齒輪傳遞誤差、優化系統剛度、降低峰值響應成為優化驅動橋NVH的主要方法。

從產品設計角度,應用系統仿真軟件MASTA、結合螺旋錐齒輪專用設計軟件Gems/Kimos,可以從源頭上統籌開展激勵源、傳遞路徑、振動響應的系統優化,從而達成預測振動噪聲風險的目的;在提升產品NVH品質的同時,將NVH開發提前到產品設計確定前,將極大減少產品設計周期及試驗周期。

從生產加工角度,國內乘用車螺傘齒輪熱后精加工除了采用磨齒工序外,通常還會增加研齒工序。一方面,通過研齒工藝改善接觸區形態,優化傳遞誤差,一定程度提高總成噪聲表現;另一方面,研齒工藝也會少許改變齒面形貌,通過閉環控制手段,將研齒工藝形成的實際齒貌進行仿真分析,獲取基于實際齒貌的齒輪副傳遞誤差特性、驅動橋NVH特性,從而實現螺旋錐齒輪的設計生產閉環控制,這對于乘用車驅動橋NVH性能開發是非常有意義的。

以某乘用車驅動橋產品為例,本文通過零部件產品設計、系統仿真分析、生產工藝優化及閉環控制等手段,實現總成NVH優化,取得了良好效果,經過試驗驗證,證明了本方法的有效性和可行性,極具推廣價值。

1 問題描述

本文研究的驅動橋總成進行臺架NVH試驗過程中,在驅動工況輸入轉速4 200 r/min時,出現齒輪嚙合階次超標問題,超出大約6 dBA。

同批次驅動橋總成裝車后,在整車NVH主觀評價試驗過程中,在驅動工況140 km/h(對應主齒輸入轉速4 200 r/min左右),車內可以感知到嘯叫噪聲;通過客觀測試識別到12階階次噪聲明顯,與總計值差值較小,階次噪聲不滿足要求。

臺架試驗和整車測試的滑行工況,主客觀測試均沒有問題。

通過臺架試驗、整車測試可以發現,NVH問題均明確指向驅動工況、尤其是140 km/h(對應主齒輸入轉速4 200 r/min左右)車速段,以此為導向開展系統性問題排查及NVH優化工作。

2 問題分析

2.1 驅動橋噪聲產生機理分析

為滿足螺旋錐齒輪加載后彎曲疲勞、接觸疲勞性能,齒輪副需要進行齒面微觀修形設計,從而導致齒輪副運轉時會產生傳遞誤差;另一方面,主減速器殼體在受載后的變形會導致齒輪副產生錯位量,也會影響傳遞誤差。

傳遞誤差是驅動橋總成噪聲的激勵源,其引起的動態嚙合力變化通過軸承等傳遞路徑傳遞到殼體;經系統響應后,產生振動以及聲輻射噪聲。

2.2 總成系統模型搭建

利用Masta軟件,建立該驅動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入,在Masta中運行縮聚,獲得主減速器殼準確的剛度、質量和模態信息,從而獲得準確的動力學仿真模型;螺旋錐齒輪設計數據由GEMS/KIMOS等齒輪設計軟件導入,行業內通常采用原始的、理論的齒輪設計數據,這樣可以驗證設計的可行性,并以此為依據按需開展齒輪設計優化。

上述仿真分析模型,還可以生成不同載荷階段的齒輪副錯位量信息,用于指導齒輪副微觀修形設計。

2.3 齒輪設計回顧

考慮導入有限元殼體時的齒輪副錯位量,結合齒輪加載后變形趨勢,確定齒輪副的正驅空載接觸區:齒長方向位于中間偏小端;齒高方向位于中間。

設計空載傳動誤差為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:從動錐齒輪齒貌相對于理論齒貌的吻合度依舊很好;主動錐齒輪齒貌相對理論齒貌有一定差異。

在滾動檢驗機上進行接觸區確認,實際接觸區與理論接觸區有一定差異,實際接觸區更接近于倒三角形狀,而理論接觸區為菱形。

成品齒輪副實際齒貌、實際接觸區形態均與理論設計有所差異。相比于基于原始理論設計的仿真分析,通過基于實際齒貌的仿真分析,獲取基于實際齒貌的齒輪副傳遞誤差特性、驅動橋NVH特性,可以更加準確的分析噪聲問題點,針對性采取噪聲優化手段,對產品開發更具有指導意義。

2.5 基于實際齒貌狀態的齒輪特性分析

基于實際測量的齒面誤差數據,利用GEMS軟件,將齒輪副的實際齒貌,反調為理論齒貌,形成基于實際齒貌的設計文件;以此為基礎,利用GEMS軟件,進行接觸分析,如圖14,仿真接觸區結果與齒輪副實際接觸區吻合很好。結合MASTA軟件的錯位量信息,進行加載接觸分析計算。

圖1 臺架噪聲測試結果-驅動

圖2 臺架噪聲測試結果-滑行

圖3 整車噪聲測試結果-140km/h勻速驅動

圖4 噪聲產生機理

圖5 驅動橋總成仿真分析模型

圖6 空載接觸區設計

圖7 空載傳遞誤差設計

圖8 理論設計滿載接觸區

圖9 理論設計滿載傳遞誤差

圖10 從動錐齒輪實際齒貌

圖11 主動錐齒輪實際齒貌

圖12 齒輪副實際接觸區

圖13 原樣件基于實際齒貌的空載接觸區

圖14 原樣件基于實際齒貌的空載傳遞誤差

圖15 原樣件基于實際齒貌的滿載接觸區

圖16 原樣件基于實際齒貌的滿載傳遞誤差

圖17 研齒工藝路徑優化

圖18 研齒后齒輪副接觸區

圖19 研齒優化件基于實際齒貌的空載接觸區

圖20 研齒優化件基于實際齒貌的空載傳遞誤差

圖21 研齒優化件基于實際齒貌的滿載接觸區

圖22 研齒優化件基于實際齒貌的滿載傳遞誤差

通過對比原始設計文件與基于實際齒貌的設計文件仿真結果發現:實際加工的齒輪空載接觸區偏齒頂,在加載后齒輪嚙合最大應力值出現在齒頂部,相對應地,齒輪加載傳遞誤差值也遠高于原設計。

基于上述結論,本文通過研齒優化的方式,針對性地改善齒輪副接觸區形態,從而改進實際傳遞誤差狀態。

3 優化方案及驗證

3.1 研齒加工工藝優化

研齒不僅可以改善磨齒后的齒面微觀狀態,經過良好研齒的齒輪能夠顯著優化接觸區形態、糾正不良接觸區,從而使齒輪副嚙合更加平穩,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際接觸區形態及仿真結果,從多方面制定研齒工藝優化策略:降低扭矩、增加循環次數,在減小扭矩波動前提下,提升表面質量;增加齒頂研齒循環,減輕從齒齒頂接觸;優化研齒路徑,改善接觸區形態。

從齒輪滾動檢測結果可以看出,研齒工藝優化后,齒輪接觸區改善明顯:圓潤飽滿,位置適中。

3.2 仿真計算結果對比

齒輪進行研齒優化后,同樣利用GEMS軟件,將研齒優化后的實際齒貌反調為新的理論齒貌,以此為基礎,計算其空載傳遞誤差,結合MASTA軟件的錯位量信息,計算加載傳遞誤差。

從仿真效果看,研齒工藝優化后的齒輪傳遞誤差降低明顯,基本達到了原設計水平,甚至在加載傳遞誤差表現方面略優于原設計。

3.3 齒輪副噪聲和傳遞誤差檢測結果及對比

從檢測結果可以看出,優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果

表2 研齒優化后傳遞誤差模擬結果

3.4 總成裝配

齒輪裝配的優劣對總成NVH表現也有著很大的影響。在實際裝配中,一般保證齒輪側隙在要求范圍內,齒輪接觸區形態與齒輪副加工完成進行的滾動檢測結果保持一致。

研齒優化件在總成狀態下接觸區形態如圖23,與齒輪副本身一致。

圖23 研齒優化件裝配總成后接觸區

圖24 臺架噪聲測試結果-驅動

圖25 臺架噪聲測試結果-滑行

圖26 整車噪聲測試結果-140 km/h勻速驅動

3.5 試驗驗證

對優化后驅動橋總成先后進行臺架NVH試驗、整車NVH主、客觀評價。

從臺架NVH試驗可以看出,改進效果明顯;全轉速段階次噪聲均大幅降低,尤其是4 200 r/min轉速段,相比改進前階次噪聲降低8 dB以上。

整車NVH主觀評價,在驅動工況全車速段沒有嘯叫噪聲;通過客觀測試識別的12階階次噪聲,與總計值差值較大,以140 km/h(對應主齒輸入轉速4 200 r/min左右)為例,差值接近20 dB。

臺架試驗和整車測試的滑行工況,主、客觀測試均沒有問題。

綜合來看,改進效果顯著。

4 結 論

本文以某乘用車驅動橋為例,針對其在臺架NVH測試不合格、整車NVH測試中出現嘯叫的問題,采用設計生產閉環控制的NVH優化方法,針對項目開展實際情況,通過研齒工藝優化方式,改善了齒輪接觸區形態,提升驅動橋總成NVH性能,實現了結合生產實際狀態的閉環仿真能力提升與問題解決。經實際驗證,本方法行之有效,為驅動橋NVH優化提供了新的可行思路,最終總結如下:

(1)螺旋錐齒輪實際加工誤差在一定程度上影響驅動橋總成NVH表現,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NVH特性要求更高,因此,對于乘用車用螺旋錐齒輪的加工誤差(比如接觸區等)控制需要更嚴格。

(2)驅動橋NVH優化,需要從多維度統籌考慮,產品設計(齒輪設計、殼體設計等)、零部件質量(齒輪副接觸區、殼體孔位加工精度等)、總成裝配等方面;優化措施的選擇,需要根據系統排查結論、結合項目實際開展情況,確定合理、有效的解決措施;最終目的是實現驅動橋總成狀態最大化達成設計意圖,從而發揮產品的最佳性能。

(3)仿真措施日趨完善,將GEMS/KIMOS等齒輪設計軟件與MASTA系統仿真軟件結合,可以進行基于齒輪實際加工狀態的NVH仿真計算;經驗證,該仿真計算準確,從而可以通過針對性的選擇優化措施,最終實現設計、生產閉環控制的NVH仿真計算優化。