[发明专利]一种驱动桥桥壳振动噪声数值确定方法

权利要求书

1.一种驱动桥桥壳振动噪声数值确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)基于有限元法和模态综合法建立驱动桥系统的动力学分析模型，具体包括以下步骤：

①建立驱动桥系统各部件的体单元有限元模型，包括传动轴凸缘、主动齿轮轴、从动齿轮、差速器壳、十字轴、行星轮、左右太阳轮、左右半轴、左右车轮以及桥壳的体单元有限元模型；

②在各部件之间存在连接关系的等效作用位置分别建立边界节点，分别包括：桥壳与主动齿轮轴及差速器壳之间的滚子轴承连接点、主动齿轮轴和从动齿轮之间的齿轮啮合点、行星轮和左右太阳轮之间的齿轮啮合点、传动轴凸缘与主动齿轮轴之间的花键连接点、左右太阳轮与左右半轴之间的花键连接点、左右太阳轮与差速器壳之间的垫片连接点、十字轴与行星轮之间的旋转副连接点、十字轴与差速器壳之间的十字轴孔连接点、传动轴凸缘的输入转矩作用点和左右车轮的输出转矩作用点；然后将各边界节点分别通过刚性连接单元与步骤○1中各部件的体单元有限元模型连接；

③采用模态综合法对各部件的体单元有限元模型进行缩维变换，仅保留各边界节点自由度和若干模态自由度，进而获得各部件的模态综合刚度矩阵表示为K_m和模态综合质量矩阵表示为M_m；

④对驱动桥系统中的轴承采用解析形式的非线性轴承单元模拟，得到轴承刚度矩阵表示为K_b；

⑤对驱动桥系统中的齿轮采用等效啮合单元模拟，得到齿轮啮合刚度矩阵表示为K_g；

⑥各部件之间的其他连接关系均采用线性弹簧单元模拟，包括传动轴凸缘与主动齿轮轴之间的花键连接、左右太阳轮与左右半轴之间的花键连接、十字轴与差速器壳之间的十字轴孔连接、十字轴与行星轮之间的旋转副连接以及左右太阳轮与差速器壳之间的垫片连接，得到其他连接关系的刚度矩阵表示为K_c；同时，将传动轴凸缘上的输入转矩作用点定义为输入端，输入端等效刚度矩阵表示为K_i，输入端等效质量矩阵表示为M_i；将左右车轮输出转矩作用点定义为输出端，输出端等效刚度矩阵表示为K_o，输出端等效质量矩阵表示为M_o；

⑦将各部件的刚度矩阵和质量矩阵按照连接关系组集，获得驱动桥系统的动力学分析模型如式(1)所示：

其中，δ、和分别表示驱动桥系统的动力学分析模型中各自由度的位移向量、速度向量和加速度向量；F为动态激振力向量；K为驱动桥系统的刚度矩阵，由各部件的模态综合刚度矩阵K_m、轴承刚度矩阵K_b、齿轮啮合刚度矩阵K_g、其他连接关系的刚度矩阵K_c、输入端等效刚度矩阵K_i、输出端等效刚度矩阵K_o组集而成；M为驱动桥系统的质量矩阵，由各部件的模态综合质量矩阵M_m、输入端等效质量矩阵M_i、输出端等效质量矩阵M_o组集而成；C为驱动桥系统的阻尼矩阵；

2)基于建立的驱动桥系统的动力学分析模型，计算不同齿轮传动误差激励下的驱动桥系统振动响应，具体包括以下内容：

齿轮传动误差为单位谐波形式，表示为式(2)：

e₀＝e₀ cosωt (2)

其中，e₀＝1μm；ω为齿轮传动误差的激励频率；t表示时间；

齿轮传动误差在主动齿轮和从动齿轮啮合点上产生的动态激振力F_p(t)和F_w(t)分别表示为式(3)和式(4)：

F_p(t)＝k_me₀h cosωt (3)

F_w(t)＝-k_me₀h cosωt (4)

其中，h为齿轮啮合力方向的单位矢量；k_m为啮合刚度系数；

采用式(5)所示的模态叠加法计算驱动桥系统的振动响应：

其中，δ(ω)为齿轮传动误差的激励频率ω时的驱动桥系统的动力学分析模型各边界节点自由度的位移响应；F为动态激振力向量，由式(3)和式(4)所示的主动齿轮和从动齿轮啮合点上的动态激振力F_p(t)和F_w(t)组集而成；φ_i为驱动桥系统的第i阶正则振型；ω_i为驱动桥系统的第i阶固有振动频率；λ_i＝ω/ω_i为第i阶频率比；ξ_i为第i阶模态阻尼比；n为模态叠加法保留的驱动桥系统总模态阶数；i为模态阶数；j为虚部，即

3)计算桥壳轴承边界节点的动态载荷，具体包括以下内容：

采用式(6)计算驱动桥系统的第k个轴承内、外圈边界节点之间传递的动态载荷F_bk(ω)：

F_bk(ω)＝K_bk[δ_bik(ω)-δ_bok(ω)] (6)

其中，k为轴承编号；δ_bik(ω)和δ_bok(ω)分别为齿轮传动误差的激励频率ω对应的轴承内、外圈边界节点的位移响应；K_bk为驱动桥系统的轴承刚度矩阵；

4)计算完整桥壳体单元有限元模型的振动响应，具体包括以下步骤：

①将式(6)求得的桥壳轴承边界节点的动态载荷表示为式(7)所示的复数形式：

F(ω)＝A[R(ω)+I(ω)j] (7)

其中，A为载荷系数；R(ω)和I(ω)为随齿轮传动误差的激励频率ω变化的离散数据，用Nastran软件的表格卡片TABLED1记录；

②用Nastran软件的RLOAD1卡片将式(7)求得的复数形式的轴承动态载荷数据施加在完整桥壳体单元有限元模型的轴承边界节点上；

③根据实际状态定义完整桥壳体单元有限元模型的边界约束条件，通常约束桥壳板簧连接位置的节点自由度；

④定义桥壳振动响应计算的频率参数，包括起始频率ω₀、终止频率ω₁和频率间隔Δω；

⑤动力学求解方法选为模态叠加法，定义模态阻尼比和保留的模态阶数；

⑥将完整桥壳体单元有限元模型、动态载荷、边界约束条件和频率参数提交Nastran软件计算，得到完整桥壳体单元有限元模型在各激励频率下的振动响应计算结果；

5)计算桥壳声学边界元模型的噪声辐射，具体包括以下步骤：

①定义分析类型，即在LMS Virtual.Lab软件中，选择声学边界元模块AcousticHarmonic BEM，分析方法选为间接边界元法；

②建立桥壳声学边界元模型，即在有限元软件Hypermesh中，基于桥壳几何模型的外表面新建立一个桥壳的壳单元有限元模型，然后将该桥壳的壳单元有限元模型导入LMSVirtual.Lab软件，并将导入后的桥壳的壳单元有限元模型设置为桥壳声学边界元模型；

③向LMS Virtual.Lab软件导入完整桥壳体单元有限元模型和其振动响应计算结果，并将导入后的完整桥壳体单元有限元模型设置为桥壳结构模型；

④在LMS Virtual.Lab软件中，建立桥壳结构模型和桥壳声学边界元模型之间的映射关系，从而将桥壳结构模型的振动响应计算结果映射到桥壳声学边界元模型上；

⑤在LMS Virtual.Lab软件中，根据驱动桥系统的真实工作环境建立地面模型，并定义空气的材料参数和流体属性，在桥壳声学边界元模型周围建立场点模型，用来模拟声级计；

⑥在LMS Virtual.Lab软件中，定义噪声计算的频率参数，包括起始频率ω₀、终止频率ω₁和频率间隔Δω，与步骤4)中的桥壳振动响应计算的频率参数一致；

⑦将桥壳声学边界元模型、桥壳结构模型、地面模型、场点模型、空气的材料参数和流体属性以及频率参数提交到LMS Virtual.Lab软件中执行噪声计算，计算完成后，得到各激励频率下的声压级分布云图以及声功率级随频率变化曲线。

2.如权利要求1所述的一种驱动桥桥壳振动噪声数值确定方法，其特征在于，在上述步骤①中，采用有限元软件Hypermesh实现上述各部件体单元有限元模型的建模；在上述步骤③中，采用Nastran软件实现各部件的体单元有限元模型的缩维变换。