齿轮变速器箱体降噪优化设计

朱华 陈安宇 范正伟

（蚌埠汽车士官学校装备保障系安徽蚌埠233011）

齿轮变速器箱体降噪优化设计

朱华 陈安宇 范正伟

（蚌埠汽车士官学校装备保障系安徽蚌埠233011）

建立某型齿轮变速器箱体三维模型的基础上，采用Hypermesh软件进行网格划分，用直接边界元方法建立了箱体的噪声预测模型。将有限元计算得到的箱体表面振动数据作为振动计算的边界条件，用直接边界元法对噪声声压进行了计算，以边界元计算的结果为基础，对变速器箱体进行了降噪优化设计。

变速器箱体噪声优化设计

引言

齿轮变速器的噪声是汽车噪声的主要噪声源之一。箱体是整个变速器噪声的最主要部件，占整机辐射噪声的90%以上。准确模拟变速箱的工况并研究箱体在激励作用下的声辐射，对实现降低汽车噪声的目的具有非常现实的意义。

本文通过对齿轮变速器进行实体建模，采用多体动力学仿真的方法，对箱体所受到的激励载荷进行计算，分析预测了箱体的工作载荷，并在有限元模型中对箱体的响应进行分析，通过边界元计算得到声场的分布，对箱体的结构进行优化，并将优化的结构重新进行计算，与初始模型的噪声进行对比，达到了明显的降噪目的。该方法可以用于对已有产品进行改进设计，也可以在设计的初期实时地进行振动噪声预估。

1 变速箱体有限元模型

1.1 变速箱体三维模型

1）变速器动力输入轴齿轮齿数为15，分度圆直径为82.5 mm；

2）中间轴两端固定在壳体上的轴承孔内，中间轴常啮合传动齿轮，左端齿轮齿数为20，分度圆直径为110 mm，右端齿轮齿数为15，分度圆直径为82.5 mm；输出轴齿轮齿数为21，分度圆直径为115.5 mm；

3）壳体上主要有四个轴承孔以及壳体顶盖。在不影响载荷分析结果的前提下，对变速器进行一定的简化，采用Pro/E建立变速箱体的三维模型如图1所示，变速箱装配的三维模型如图2所示。

图1 变速器箱体三维模型

图2 变速器装配图

1.2 变速箱体网格划分

在Hypermesh软件中对箱体三维实体模型进行网格划分，2D网格为trias三角形，单元尺寸最大允许设为5 mm，为了使其能准确体现箱体的特征，在网格划分的过程中，选择手动为每个面添加网格。

凸台和加强筋是有限元网格划分的重点，网格必须充分表现出这些部位的基本特征，为了更好地了解箱体各部位的振动变形，使分析结果更为精确，手动在凸台、加强筋等处进行网格划分，将网格细化到可以基本表现出箱体表面的真实情况。网格划分后的有限元模型如图3所示，包括节点4281个，有限元单元43348个。

图3 变速器箱体的网格划分

2 边界元模型的建立及声学仿真

2.1 边界元模型的建立

一个完整的声学模型应包括影响该模型声学特性的所有要素，如结构的外表面特征，所受到的载荷，定义的场点等。对整个箱体模型进行评估，通过综合考虑，本文采用矩形一次单元对箱体的边界元进行划分，网格的单元大小小于30 mm。建立箱体的边界元模型共有单元1976个，该模型可以达到进行高频声学计算的要求。

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2.2 噪声分析场点网格模型的建立

经过边界元计算可以得到箱体表面的声压，但该声压不能直接作为箱体振动噪声的评价指标。在SYSNOISE中，需要对箱体周围建立一个网格模型，对变速器的噪声进行评估，取距离变速器半径1 m处的点作为评价的采样点。

2.3 边界条件的确定

将ANSYS模型写成SYSNOISE支持的fre格式，用命令流的方式将结果导入SYSNOISE中。在通过有限元方法计算得到箱体在载荷激励作用下振动响应的前提下，利用SYSNOISE软件，将有限元方法计算的频域振动数据作为边界元计算中的边界条件，将时域内的信号通过傅里叶变换转化为频域信号。

2.4 边界元计算结果分析

箱体边界元计算的主要结果是远场辐射声压级，从该声压级可以看出变速箱体辐射较强的部分，以此为依据，结合有限元的分析结果对箱体进行改进。

取距离变速器半径1 m处的点作为评价的采样点，图4、图5是变速器箱体1 m处表面声场的分布图。由图可以得出：在同等条件下，若箱体表面较平滑，声压相对较大；若箱体表面有凸起等，声压会相对较小。箱体两侧面声强相对较大，是由于齿轮轴径向的激励在箱体的两侧面表现得最为明显，而箱体前端声强相对较小，是因为此处距离激励点较远，所受的影响比较小。实际仿真的结果与经验预测和前面有限元分析一致，表明该仿真是真实可靠的。

图4 580Hz表面声压分布情况

图5 1380Hz表面声压分布情况

3 箱体低噪声优化设计

从前面的分析可以看出，该变速器箱体的结构特点是上部材料较少，刚度较小。箱体的右侧有较多的安装孔，孔对箱体结构强度的影响比较大，导致刚度较小，容易导致箱体发生弯曲产生右部的摆动。另外，由于箱体轴承处所受到的激励较大，尤其是第二轴的轴承处承受的载荷很大，而箱体的厚度又相对较薄，导致该位置的变形较大，在齿轮传动过程中将产生很大的噪声。在输出轴处，由于输出轴的载荷最大，因此齿轮箱体的输出轴部位需要加强。

为了提高原箱体的整体刚度，需要在满足箱体强度的前提下，对部分加强筋进行简化，对需要加强的部位进行加固。考虑到箱体的扭转和弯曲，将箱体进行如下改进：

1）在箱体的A处设置加强筋。

2）在箱体内壁B处加厚内壁，在齿轮轴内壁C、D处增设加强筋，以增大箱体的刚度。

3）在箱盖接口E处设加强筋，对F处设加强筋，两边各三个。如图6所示。

图6 变速器箱体加强部位示意图

由于箱体横向的振动幅度比较大，使得箱体左右两侧产生较大的噪音。因此，针对两侧刚度较差的问题，在箱体中间A处加一道长加强筋，环绕箱体一周，这样使得横向和纵向加强筋相互交叉，加固效果更为明显。由于B处是齿轮的着力点，且此处受力面积小，压力大，导致该处振动强烈。因此，在B处加大壁厚，使得整体刚度得以提高，限制其在齿轮径向的振动。

在箱体的变截面处，由于受力方向不同，往往会导致该处应力集中和振动较大。因此，分别在底部和顶部设置加强筋，以提高相交面的刚度。

箱盖接口E处的振动较强，因此在E处设置一个过渡，以加强此处的刚度。将箱体改进之后，箱体的重量基本无变化，且对附件的安装不会产生影响。对改进后的箱体进行模态分析，数据如表1所示。

表1 改进前后固有频率对比Hz

由表1可以看出，箱体改进后，其刚度明显增强，各阶固有频率均有提高。

4 结束语

本文在建立变速器箱体三维模型、有限元模型、边界元模型的基础上，将多体动力学计算得到的激励载荷作为激励，对变速器箱体进行有限元计算。将有限元计算的结果作为边界条件，用直接边界元法进行计算，得到箱体所存在的薄弱的部位以及振动噪声较强的位置，进而对箱体进行了强化改进设计。

应用Pro/E、ADAMS、ANSYS、SYSNOISE等软件，将模态分析、多体动力学、有限元和边界元的计算方法有机地结合在一起，提出了一种高效，又能满足一定精度的噪声预测方法，对箱体噪声的控制和预测具有一定的指导意义。将该方法应用到实际产品开发中，将大大降低成本，提高设计效率。

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6杨洪波，林辉.变速器箱体机械加工工艺过程的改进[J]. 2002，33（8）：47～48

The Optimization Design of Noise Reduction of Gearbox Housing

Zhu Hua，Chen Anyu，Fan Zhengwei
Equipment Support Department，Bengbu Automobile NCO Academy（Bengbu，Anhui，233011，China）

On the basis of three-dimension solid model of gearbox，grid partition is done by using Hypermesh，noise prediction models are built by direct boundary element method，the results of tank surface vibration by finite element method are used as boundary conditions，and sound pressure was calculated by direct boundary element method.Based on the calculated results，the optimization design of noise reduction of the gearbox was carried on.

Gearbox housing，Noise，Optimal design

TK413.47

A

2095-8234（2014）05-0066-03

2014-06-25）

朱华（1977-），男，硕士，工程师，主要从事车辆性能优化、车辆试验技术及装备等方面的研究。