汽车驱动桥NVH性能分析与优化

汽车驱动桥NVH性能分析与优化
摘要：为实现汽车驱动桥NVH性能的分析与优化，本文中建立了驱动桥NVH
性能分析与优化流程及方法，对分析过程中所应用的有限元、振动响应、声学仿
真和拓扑优化等方法进行了综合研究，恰当地选取了分析方法、计算方法、分析
软件。

然后，以某车在60～65km/h加速行驶工况出现噪声大的问题为例进行分
析与优化。

最后，对优化后驱动桥进行整车NVH测试，验证了所建立的分析流程
及方法的有效性。

关键词: 汽车驱动桥；有限元分析；振动响应；声学仿真分析；NVH测试
前言
(3)后驱动桥是汽车底盘传动系统的重要组成部分，同时也是主要噪声源之一，它的NVH性能对整车NVH性能有直接影响。

学者对后驱动桥NVH性能的分析
与优化开展了大量研究。

虽然研究对汽车驱动桥NVH性能分析与优化做了很多
工作，取得许多成果，但仍然存在一些不足。

1 驱动桥 NVH 性能系统分析流程模态分析
对后驱动桥进行模态分析，目的是得到各阶模态频率，来确认其是否与其他
激励源产生共振。

前期研究结果表明，后桥噪声主要是主减速器齿轮啮合冲击通
过轴承传至后桥壳产生振动引起的辐射噪声，差速器在普通工况下一般不起作用，本文中主要是对后桥壳进行模态分析。

1.1 有限元建模
采用 UG 软件系统建模，网格划分过程中，主减速器壳选取四面体单元划分，单元质量主要控制参数如表1所示，最后给各个部件赋相应的厚度和材料属性，
如表2所示。

将模型导入ansys workbench软件，得到有限元模型。

2 振动响应分析
振动响应分析的目的是确定响应较大部位，以实现后续精准优化。

频率响应分析是指结构对某载荷(可以是冲击载荷，也可能是一频率在一定范围内的载荷)的响应。

根据驱动桥噪声机理，以及驱动桥NVH性能分析需要，在进行频率响应分析前，需要先计算其轴承的载荷。

使用模态分析结果，计算桥壳振动响应，求解已知1～2000 Hz频段的所有结果。

将频率范围设成1～2000Hz。

选择模态叠加法来进行分析，ANSYS workbench求解，得到结果。

再一次印证后油盖为主要的声辐射区域，后续的优化部位应该为此处。

3.声学仿真分析
由于驱动桥壳及减速器壳局部结构不同，噪声辐射结果体现在表面及外部的也是不一样的，在桥壳频率响应分析完成后，再对其进行声学仿真分析，
可以确定噪声辐射较大部位，以实现后续更精准的结构优化。

3. 1 声学仿真分析流程与方法
根据噪声源物理特性，可将噪声分为气体动力噪声、机械噪声和电磁性噪声; 根据噪声的频率成分分类，可将噪声分为高频噪声、中频噪声和低频噪声。

研究
方法主要有边界元法、有限元法和统计能量法。

3.2 声学边界元网格模型的建立
Virtual．Lab Acoustic 在进行声学计算时，须保证最小波长内有6个单元，最大的单元边长要小于最高计算频率点处波长的1/6，对于二次单元这个数值就
是1/3。

另外，当节点数量较多的时候，用边界元计算声场的时间和所需要的计
算机内存会迅速增多。

当节点数较大时计算辐射声场很不经济，故边界元单元网
格尺寸也不宜过小。

3. 3 桥壳辐射噪声结果
由于后油盖区域声辐射较大，是主要的辐射区域，桥壳的振动响应较大处也
是这个区域，再对比桥壳在367Hz时的模态振型，发现这个区域表现出了主要的
振型，说明在367 Hz激励下引起了共振，使桥壳产生了较大的振动响应，然后
辐射出较大的噪声，最大声压级达到了72.3dB。

4 后桥壳的拓扑优化及分析
结构优化设计是用系统的、目标定向的过程与方法代替传统设计，其目的在
于寻求既经济又适用的结构形式，以最少的材料、最低的造价实现结构的最佳性能。

拓扑优化设计是在给定材料品质和设计域内，通过优化设计方法得到既满足
约束条件又使目标函数最优的结构布局形式或构件尺寸，是结构优化设
计的常用方法。

在复杂结构的选型及轻量化设计工作中，拓扑优化比形状、
尺寸优化更有价值。

拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓
扑优化。

5 优化后实车 NVH 测试结果
采用声压级分析测试的方法对车辆加速工况测试，可更全面地分析，且同时
测量滑行工况。

每个工况在驾驶员右耳、后排乘客右耳两个位置采集数据。

1)车辆滑行驾驶员右耳处声压级。

该工况下，改进前后声压级水平基本一致，未发现差异。

这是由于整体噪声较小，非顾客抱怨点，因此没有对其开展优化工作。

2)车辆滑行后排乘客右耳处声压级
该工况下，改进前后声压级水平基本一致，未发现差异。

但是，可以发现1823r/min时，优化前后驱动桥声压级均存在明显峰值，应为后桥与其他系统匹
配问题，较大可能是与传动轴匹配问题，虽然滑行工况使用不多，一般消费者难
以发现，但是产品性能仍需提高，是后续改善点。

3) 车辆加速驾驶员右耳处声压级
该工况下，改进前驱动桥在2000和3100 r/min时，均存在明显峰值，最大
峰值接近70 dB，消费者抱怨是正常的，优化后的两台驱动桥，在2000 和3100
r/min时，均不存在峰值，曲线比较平缓，噪声水平降低大于10 dB，说明此次
驱动桥结构优化、实物质量提升工作是成功的。

( 4) 车辆加速后排乘客右耳处声压级
该工况下，改进前驱动桥在2000和3000 r/min时，均存在明显峰值，最大
峰值接近70 dB，消费者抱怨是正常的，优化后的两台驱动桥，在2000 和3000
r/min 时，均不存在峰值，曲线比较平缓，噪声水平降低大于10 dB，说明此次
驱动桥结构优化工作是成功的。

6 结论
本文中建立了系统的、理论与实际相结合的汽车驱动桥 NVH 性能分析与优
化的流程与方法，并对其有效性进行了验证，研究工作取得以下研究成果:
(1) 所建立的汽车驱动桥NVH性能分析与优化方法是准确、可行的；
(2)通过有限元、振动响应、声学仿真分析，并恰当选取相应的算法及软件，可以精准找到驱动桥具体需要优化的部位；
(3)采用Optisruct 软件，以模态为约束，以体积最小为目标的方法局部优
化驱动桥，可实现以减质量的方式来降低模态从而降低噪声。

此次研究，仅局限
在驱动桥自身的激励，对外部激励源对驱动桥 NVH 影响的研究是后续研究的方向。

参考文献：
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(2)唐禹，李宏成，夏元峰，等．驱动桥振动引起的车内轰鸣声研究及优化
控制［J］．汽车工程学报，2011，1( z2) ．
(3)郭年程，史文库，刘文军，等．驱动桥的整体有限元动态模拟［J］．西
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