新能源汽车电驱动桥振动噪声的主要贡献结构预测方法与流程

本发明涉及汽车先进设计制造领域，更具体地说，涉及一种新能源汽车电驱动桥振动噪声的主要贡献结构预测方法。

背景技术：

噪声是评判现代交通工具舒适性的关键因素，传动系统的振动噪声在内燃机汽车上往往被忽略。而在电动汽车上由于没有了发动机，传动系统的噪声便凸显出来，成为影响电动汽车舒适性最主要的噪声源。因而降低传动系统的振动噪声可很大程度上降低整车的振动噪声，而在新能源汽车中主要的振动噪声由驱动桥引起。

目前，关于驱动桥的振动噪声主要的研究思路是通过单纯的有限元进行数值计算。而由于驱动桥系统过于复杂，有限元数值模拟受限于计算的收敛性以及计算规模的限制，往往把轴承中复杂的接触关系简化为cbush等替代单元，难以准确反映轴承的动力学特性。相比之下，本发明中通过多体动力学+有限元+边界元三步骤组合而成的方法可以很好的解决这些问题。

在专利号为zl201710536412.0的发明专利中公开了一种驱动桥振动噪声数值计算方法，在该方法中虽然考虑到了传动系统与桥壳的非线性轴承刚度耦合，但其在计算轴承非线性刚度耦合时对轴承采取了简化，其利用轴承的稳态线性刚度代替了非线性刚度。另外该方法与汽车驱动桥实际工作过程有一定差距，很难获得准确的齿轮啮合时变激励以及不能准确描述该时变激励随轴承转动而发生变化，最后传递到壳体上引起壳体振动这一过程。因而无法获得驱动桥振动噪声准确的数值解，进而不能准确预测噪声以及贡献量较大的结构面板。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种更加准确、更贴近实际的新能源汽车电驱动桥振动噪声的数值计算以及主要贡献结构预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新能源汽车电驱动桥振动噪声的主要贡献结构预测方法，包括以下步骤：

s1、基于多体动力学方法建立电驱动桥的多体动力学计算模型，计算出由齿轮传动误差以及轴承接触引起的激励力；

s2、基于有限元动力学方法建立电驱动桥的动力学有限元模型，计算出驱动桥在激励力作用下的频率响应；

s3、基于边界元理论建立电驱动桥噪声辐射的边界元模型，基于步骤s2所得数据对电驱动桥的噪声辐射进行数值计算；找出数值较大的声压峰值频率中与理论计算各部件工作频率相对应的频率，由步骤s2计算结果分析驱动桥在这些频率下的振动响应，依据振动的大小对驱动桥壳进行分块，然后在建立声学边界元网格时把对应于这些分块的边界元网格赋予不同的属性；建立带有面板的声学边界元模型，设置相应的计算参数，提交计算得到不同频率下各面板在输出点处声压以及声功率的贡献量。

上述方案中，所述步骤s1进一步包括：

s11、由三维软件proe建立电驱动桥各部件的实体模型，然后把所建立的三维实体模型导入多体动力学分析软件adams中；

s12、在adams软件中根据电驱动桥在工程实际中的具体形式设置各部件之间的装配以及连接和接触关系；

s13、在电驱动桥的输入轴上输入恒定转速驱动同时在左右半轴上输入模拟汽车行驶时地面向车轮传递的反扭矩，设置所需要计算的时间以及时间步，对电驱动桥进行动力学计算，计算得到个轴承外圈质心处在仿真过程中所受的动态激励力；

上述方案中，所述步骤s2进一步包括：

s21、基于之前步骤s1下所建立的三维实体模型，在hypermesh软件中对实体模型进行网格离散，建立电驱动桥各部件的有限元模型；

s22、设立各部件间的连接关系与现实相符；

s23、对以上步骤s1所计算的各轴承外圈所受的激励力进行快速傅里叶变换以得到激励的频谱关系；

s24、把s23中所得激励力的载荷谱加载到有限元模型响应的位置，设置求解参数和输出参数，进行有限元计算；计算结束后得到电驱动桥有限元模型各网格节点在不同频率下的速度、加速度和位移数据。

上述方案中，所述步骤s3进一步包括：

s31、在有限元前处理软件hypermesh中基于步骤s2的结构有限元模型建立声学计算所需的声学边界元网格；

s32、在声学计算软件virtual.lab中导入步骤s2计算所得的包含模型各节点振动数据(速度/加速度/位移)的结果文件，同时导入步骤s31所得的边界元模型；

s33、将各节点的振动数据通过映射关系映射到边界上网格上，设置材料属性、设置反射面模拟地面、设置iso场点以及边界条件；

s34、设置求解参数，提交求解；求解结束后，在结果得到计算场点上的声压云图；在求解结束后设定需要关注的场点为输出点，通过软件自带的voctor-function转化工具便可把上一步计算所得的云图数据转换到输出点的数值形式；

s35、把输出点处声压数据与理论计算所得轴承、齿轮的工作频率进行对比。找出各部件工作频率与声压数据相对应的峰值频率，作为后续减振降噪的结构优化的依据；

s36、由步骤s2计算结果分析驱动桥在s35所确立频率下的振动响应，依据振动的大小对驱动桥壳进行分块，然后在建立声学边界元网格时把对应于这些分块的边界元网格赋予不同的属性，在建立声学边界元模型时把这些位置所对应的边界元网格设置为不同的面板；

s37、建立带有面板的声学边界元模型，设置相应的计算参数，提交计算得到不同频率下各面板在输出点处声压以及声功率的贡献量；

s38、由步骤s37中所得各面板的贡献量，找出贡献量最大的面板，准确获取贡献量最大的位置以及部件，为后续减振降噪提供可靠依据。

实施本发明的新能源汽车电驱动桥振动噪声的主要贡献结构预测方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过建立与工程实际一致的新能源汽车电驱动桥动力学模型，获得系统中各位置的主要激励。进而通过有限元法和边界元法建立新能源汽车电驱动桥振动噪声模型，基于系统各位置的主要激励获得轴承、齿轮等关键部件工作频率的峰值噪声，进而预测各噪声峰值位置的主要噪声贡献结构。该方法节约了主要噪声贡献结构预测时间，降低了实验成本，提高了预测峰值频率噪声重要贡献结构的预测准确性。

2、本发明在建立电驱动桥的多体动力学模型时各部件之间的装配以及连接关系与工程实际一致，与以往其他人所建立的传动系多体动力学模型相比，该模型在仿真过程中齿轮、轴系、轴承等部件之间相互位置关系的瞬变状态，与工程实际相一致，本发明中所建立的模型更接近现实模型。另外，在后续的噪声数值计算时，对边界元进行板块划分，可进行噪声的板块贡献量计算，便可为噪声源的寻找与确立提供更加方便具体的思路。

3、本发明提供了一种能够准确模拟出由齿轮啮合传动误差引起的动态激励力，以及该激励力随轴承滚动体滚动过程中不断的变换，最后通过轴承外圈传递到壳体这一系列工作过程的方法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明预测方法流程示意图；

图2为电驱动桥的adams多体动力学模型；

图3为位于减速器二轴右端6206轴承的x向激励力的时域图；

图4为fft变换后的频域图；

图5为电驱动桥的有限元动力学模型；

图6为电驱动桥动力学有限元模型各部件连接关系；

图7为电驱动桥各网格节点的速度振动数据；

图8为电驱动桥噪声辐射的边界元模型；

图9为电驱动桥边界元模型的边界元网格；

图10为边界元模型iso场点的声压云图；

图11为输出点上的声压数据；

图12为各部件理论工作频率与噪声峰值频率对应的关系；

图13为根据振动位置赋予不同属性的声学边界元网格；

图14为各面板在输出点处的声压贡献量。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的新能源汽车电驱动桥振动噪声的主要贡献结构预测方法包括如下步骤：

s1、结合工程实际建立电驱动桥的多体动力学计算模型，如图2所示。

①利用三维建模软件proe建立电驱动桥的三维实体模型，其中包括减速器齿轮轴一轴、减速器齿轮轴二轴、减速器二轴齿轮、差速器外齿圈、差速器壳体、差速器行星轮、左右驱动半轴、减速器壳体、桥壳体、轴承6206、轴承6009、轴承3208-ars以及键销等部件。

②把①中建立的三维模型导入多体动力学软件adams中，根据电驱动桥在工程实际中的具体形式设置各部件之间的装配关系。如：设置齿轮对之间为接触关系、设置轴承滚动体与内外圈之间为接触关系、设置轴承外圈与壳体之间为固连关系、设置驱动轴以及差速器外壳与轴承内圈之间为固连关系。轴承滚动体和内外圈的自由度和移动关系以及各齿轮轴以及齿轮对之间的自由度和移动关系将由各部件之间的相互关系确立，与工程实际完全一致，因而可得到准确的动力学结果。

③本例中假设电动汽车行驶车速为30km/h，根据相关参数可以换算得电驱动桥减速器一轴转速为200.351r/s，相应的在减速器一轴上施加转速驱动为12021.06°/s。同时结合实际，在电驱动桥左右半轴均施加相同的反扭矩来模拟电动汽车直线行驶。设置仿真时间和仿真步等计算参数，进行仿真。

④理论计算与仿真结果对比，如对各部件的转速进行校核，在本例中校核减速器二轴轴承滚动体转速。首先根据理论计算在当前条件下滚动体得转速为：

公式(1)中，dm为轴承节圆直径，ni为内圈转速，d为滚动体直径，γ＝dcosα/dm；由理论计算可知dm＝45.91mm，ni＝97.31r/s，d＝9.525mm，γ＝0.207。而通过仿真结果所得该轴承滚动体自转转速约为218r/s,考虑计算时的简化以及仿真误差，可认为该仿真模型准确可行。

⑤由以上对比结果可知：所建立得多体动力学模型准确可行，计算所得数据准确可靠。由计算结果提取出各轴承外圈质心所受激励力，每个轴承外圈分别有x、y、z三个方向的激励力。对所提取得激励力进行fft(快速傅里叶变换)便可得到激励力得频域数据，电驱动桥共8个轴承，所以便有24个激励力，图3为位于减速器二轴右端6206轴承的x向激励力的时域图，图4为fft变换后的的频域图。

s2、建立电驱动桥的动力学有限元模型，如图5所示，计算出驱动桥在轴承激励力作用下的频率响应。具体实施步骤如下：

①基于之前步骤s1下所建立的三维实体模型，在hypermesh软件中对实体模型进行网格离散，建立电驱动桥各部件的有限元模型。

②根据实际情况设立各部件间的连接关系。具体如：设立减速器壳体与桥壳之间为螺栓连接、设置轴承外圈与壳体之间为固定关系、齿轮啮合关系利用rigrid+mpc单元连接、设置轴承内圈与轴系之间为固定关系，各连接关系如图6所示。

③把步骤s1中经过fft变换所得激励力作为载荷谱加载到有限元模型相应的位置，设置求解参数和输出参数，进行有限元计算。计算结束后便可得到有限元模型上各网格节点不同频率下得位移、速度和加速度等振动数据如图7所示。

(3)建立电驱动桥噪声辐射的边界元模型，如图8，基于步骤s2所得数据计算电驱动桥的噪声。具体步骤如下：

①在有限元前处理软件hypermesh中基于步骤s2的有限元模型建立声学计算所需的边界元网格如图9所示。

②在声学计算软件virtual.lab中导入步骤s2计算所得的包含模型各节点振动数据(速度/加速度/位移)的结果文件。同时导入步骤s3中①所得的边界元网格。

③将各节点的振动数据通过映射关系映射到边界上网格上，设置材料为空气，并设置相应属性赋予边界元网格、根据电驱动桥的离地间隙设置反射面用来模拟地面、设置iso场点以及边界条件等一系列参数。

④设置求解参数如求解频率范围以及频率步，提交求解。求解结束后，在结果中便可得到计算场点上的声压分布云图如图10所示。

⑤在求解结束后设定需要关注的场点为输出点，便可通过软件自带的voctor-function转化工具便可把上一步计算所得的云图数据转换到输出点的数值形式。把输出点处声压数据与理论计算所得的轴承以及齿轮工作频率进行对比，可以找出各部件工作频率与噪声峰值频率对应的关系如图12所示。

⑥由步骤s2计算结果分析驱动桥在⑤所确立频率下的振动响应，依据振动的大小对驱动桥壳进行分块，然后在建立声学边界元网格时把对应于这些分块的边界元网格赋予不同的属性，如图13所示，方便在建立声学边界元模型时把这些位置所对应的边界元网格设置为不同的面板。

⑦建立带有面板的声学边界元模型，设置相应的计算参数，提交计算便可得到不同频率下各面板在输出点处的声压以及声功率贡献量，如图14所示。声功率贡献较大的面板plane3、plane4是该频率点下噪声的主要贡献结构，因而后续对该位置结构进行优化可有效降低该频率点的噪声。

⑧以上④⑤⑥⑦可与整车结合做仿真分析，可有效避开共振，本发明不一一详述。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。