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其中,高频噪音,特别是齿轮鸣响,一直是传动轴系统中常见的问题,对车辆的舒适性和可靠性产生了负面影响.解决这一问题不仅可以提高乘坐体验,还能延长传动系统的寿命,减少维护成本.
然而,要降低商用车辆传动轴斜齿轮噪音并非易事.传统的方法主要集中在修改齿轮参数上,但选择适当的参数往往具有挑战性,且效果有限.
为了解决这一问题,本文提出了一种创新的方法,将试验设计(DOE)方法与人工鱼群算法(AFSA)相结合,以实现最佳的齿轮修改设计.
通过优化设计降低商用车辆传动轴斜齿轮噪音的研究高频噪音,即齿轮鸣响,是商用车辆传动轴中常见的噪音,振动和粗糙度(NVH)问题.
尽管这个问题可以通过齿轮修改来解决,但由于修改参数的选择困难,难以有效地抑制齿轮鸣响.
本文基于试验设计(DOE)方法和人工鱼群算法(AFSA)的结合,提出了一种降低斜齿轮副峰峰传动误差(PPTE)的最佳修改设计方法.
通过经过优化的样品进行车辆道路测试,验证了该方法在减小齿轮PPTE和驱动轴振动方面的有效性.
根据耦合动力学有限元(FE)模型的齿轮接触分析和测试中的NVH性能结果,该方法比现有方法更高效.
近年来,随着商用车市场的不断发展,消费者越来越关注商用车的噪音,振动和粗糙度(NVH)性能.
作为车辆传动线的关键组成部分,驱动桥在运行过程中会受到来自车内和传动线的激励,这很容易引起齿轮鸣响,降低商用车的舒适性.
有专家总结了关于驱动桥齿轮鸣响的汽车NVH研究的现状和最新进展,这是由主要来自齿轮传动误差(TEs)引起的内部动态力的波动引起的.
为了减轻齿轮鸣响噪音,可以优化车桥壳体模式,以避免从传递路径角度看的激励频率,通常可以将驱动桥噪音降低3-4 dB(A).
或者,可以优化齿轮设计,减少TE引起的波动,以减轻驱动桥的激励,这可以将驱动桥噪音降低10 dB.
从效果和操作性来看,齿轮设计的修改更为优越,我们将重点关注通过优化齿轮TE来改善驱动桥的NVH性能的方法.
减小TE引起的波动最有效的方法之一是在原始齿轮设计的基础上进行微调,多轴传动系统的第一个后驱动桥配备了用于输入轴和小齿轮轴之间的传动的圆柱齿轮副以及用于操作最终减速传动的锥齿轮副.
通过微小修改来减小侧面上的最大接触应力,随后又通过使用齿接触分析(TCA)和负载齿接触分析(LTCA)方法开发了锥齿轮接触模型,并测试验证了开发模型在TE计算方面的准确性.
上述研究主要集中在锥齿轮或锥齿轮上,但较少关注圆柱齿轮副,圆柱齿轮副用于轴间差速器机构.
在第一个后驱动桥系统中,圆柱齿轮副传递的扭矩与锥齿轮副相同,并且充当驱动桥鸣响的激励源.
通过建立了一个斜齿轮副的分析模型,并提出了一种基于齿轮转子系统振动响应选择最佳剖面修改曲线的修改优化方法.
与锥齿轮相比,圆柱齿轮结构更简单,建模更容易,加工更简单,在本研究中,我们将考虑轴间传动齿轮对第一个驱动桥总成的NVH性能的贡献,并通过圆柱齿轮的修改来改善第一个驱动桥的NVH性能.
车辆道路测试和耦合动力学-有限元模型构建本节将对相关车辆道路测试,为了了解所研究的驱动桥的NVH特性,以及齿轮鸣响发生的频率范围和工作模式,我们首先进行了车辆道路测试,以获取驱动桥壳体的振动响应.
在这些测试中,三维加速度计被布置在靠近后减速传动中的螺旋锥齿轮与差速轴承接触点附近的车轴壳体上.
一个霍尔转速传感器被布置在发动机飞轮上,用于采集转速信号,这些测试是在车辆满载并且变速器挂在最高档位的情况下进行的.
在驱动和减速情况下,对第一个驱动桥壳体上的振动信号进行了测试,根据车辆测试结果,车轴壳体的振动表现出明显的阶次特性,主要是由齿轮啮合激励引起的.
第38,76和114阶次,即圆柱齿轮啮合频率的1-3次谐波,更加显著,并在1800-2000 Hz范围内激发了强烈的共振.
第28阶次振动,由螺旋锥齿轮对的2阶啮合频率激发,更加突出,并似乎受到轴频率的调制.
由于螺旋齿轮具有与共振区重叠的更多阶次,并且相对于螺旋锥齿轮来说,更容易设计,制造和加工,所以优化圆柱齿轮副在实施能力,成本和优化潜力方面具有优势.
因此,它可以作为改善第一个驱动桥总成的NVH性能的主要方法之一.
接下来构建驱动桥NVH仿真建模,齿轮的实际位置与其理想安装位置之间的错位是由于驱动桥在实际工作条件下的轴壳,轴承和轴的变形引起的,它影响了实际TE的波动.
在建模过程中考虑这些因素的影响非常重要,将车轴壳体的几何形状划分为有限元素.
随后进行模态模拟,通过将其结果与驱动桥壳体的约束模态测试结果进行比较来验证有限元模型.
将从仿真中获得的车轴壳体的振动数据与实验结果进行比较,以验证耦合模型的建模质量.
使用商用传动线仿真软件构建了第一个驱动桥总成的耦合动力-有限元模型.
建立了驱动桥轴系的动力学模型,并导入了驱动桥壳体的有限元模型,开发了轴系的耦合模型.
由于TE的幅度与速度之间的相关性较弱,因此将输入速度固定为1,000 rpm,以便在仿真过程中只有输入扭矩发生变化.
仿真条件根据扭矩和速度的相对方向,分为驱动和减速,将中间轴差速器锁定,并将输出轴上的功率设置为0,以阻止输入功率传播到后桥.
将传动轴固定到差速器壳体,以排除差速器锥齿轮对TE仿真结果的影响,其中从输入轴传递的扭矩依次通过圆柱齿轮和螺旋锥齿轮传递到驱动轴,然后平均分配给驱动轴.
考虑了齿轮啮合刚度和轴承支撑刚度后,计算了耦合动力-有限元模型的模态频率.
在不同的载荷条件下获得的模态结果可能因包含轴承支撑刚度因素而有所不同,然后,将仿真扭矩设置为1,000 Nm,以匹配车辆测试中的条件.
优化螺旋齿轮修整以改善商用车驱动桥的NVH性能对于模型验证与讨论,在新设计中,对齿面表面的左上部和右下部施加了更大的减缓.
通过修剪从动齿轮的顶部来等效地修改了齿根附近的右下齿面,在相同的原始修整设计条件下进行了模拟,以获得优化后的载荷分布和TE曲线.
优化后的载荷分布沿齿的LOA,确保高接触比和啮合期间稳定的时变啮合刚度,从而减小了对齿轮齿的影响.
为了进一步描述这一观察结果,对其沿LOA进行了切片绘图,优化后,沿LOA的峰-峰最大接触压力为488.07 MPa,仅为初始修整设计的44%,表明负载分布更加均衡.
其中显示了在三个齿周期内实际接触齿的数量的变化,优化后,三对啮合区域的百分比增加到了约50%,接触比增加了0.375,表明齿轮的平稳性得到了改善.
优化后的修整设计在扭矩为1,000 Nm时产生了1.7866 µm的PPTE,表示提高了70%以上.
TE激励的部分能量将通过引入TE中的额外二阶分量流向齿轮啮合频率的偶次谐波,从而进一步减小了齿轮啮合和共振的频率,以及其三重频率.
对于优化前后在最终减速传动壳测量点处的114阶次截面曲线,在整个速度范围内,114阶次振动显著改善,1120 rpm时最大改善0.49 g,提高了50%以上.
本文中采用了本文中提出的修整设计的样品件,并应用于第一个驱动桥上,然后进行了车辆道路测试,以验证优化效果.
已用蓝色圆圈标记了优化齿轮样本的安装位置,使用三维加速度计收集了最终减速传动壳体的振动数据,在其位置以红色圆圈标记.
并显示了最终减速传动壳体测量点的三维振动加速度,与测试结果相比,第38,76和114阶次的振动减小明显.
特别是对于第114阶次,整个阶次子线的振动加速度响应显著减小,在车辆道路测试中,第114阶次的阶次截面曲线与优化仿真中的阶次截面曲线进行了比较,两者曲线吻合良好,证明了仿真模型的准确性.
与有关螺旋齿轮修整的研究相比,本文对传动误差的力学机制提供的讨论相对较少,而对每个修整参数对PPTE的影响程度和模式的研究相对较多.
这对于工程齿轮系统的NVH优化具有参考价值,本文提出的方法仍有很大的改进空间,可能的改进包括将载荷引入代理模型作为参数之一,并使用尽可能少的实验来获得更高阶次的代理模型.
通过这种方式,将能够使用近似方法来研究修整设计对负载,制造误差和安装误差的稳健性.
在本研究中,研究了一种优化螺旋齿轮修整过程的方法,以改善第一个驱动桥总成的NVH性能.
根据这种方法进行的分析和讨论显示它具有以下特点,第一桥总成的耦合动力-FE模型经过车辆道路测试结果验证,并很好地反映了带有螺旋齿轮的驱动桥总成的NVH特性.
使用DOE方法开发了一个多项式代理模型,以定量地研究不同修整参数对PPTE的影响程度和模式,并获得了最小化PPTE的一组修整参数值.
模拟和NVH测试结果表明,本文提出的圆柱齿轮修整优化方法有效降低了PPTE,并改善了桥壳的振动响应.
通过使用本研究提出的方法,与理论模型相比,代理模型的时间成本和计算复杂性可以显著减小.
因此,所提出的模型具有实际的工程意义,可用作广泛的传动线设计场景的指导和参考,如锥齿轮副优化.
本研究以商用车辆的噪音,振动和粗糙度性能为焦点,通过优化斜齿轮设计,成功地减小了斜齿轮副的传动误差,降低了高频齿轮鸣响的问题.
通过车辆道路测试和有限元模型分析,我们验证了这一方法的有效性,并证明其相对于传统方法更为高效.
这一研究为改善商用车辆的NVH性能提供了有力支持,为未来的传动系统设计提供了有益的参考.