變速器共振特性測(cè)試及仿真研究

陳曉利

(陜西法士特集團(tuán)公司汽車傳動(dòng)工程研究院,陜西西安 710119)

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變速器共振特性測(cè)試及仿真研究

陳曉利

(陜西法士特集團(tuán)公司汽車傳動(dòng)工程研究院,陜西西安 710119)

機(jī)械式變速器的齒輪傳動(dòng)部分是典型的剛度自激勵(lì)系統(tǒng)，即使輸入轉(zhuǎn)速和扭矩為常數(shù)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生齒輪嘯叫，當(dāng)齒輪的嚙合激勵(lì)激起系統(tǒng)的共振時(shí)，嘯叫噪聲將大幅增加，影響駕駛員和乘客的乘坐舒適型。以一款六速變速器為例，從振動(dòng)噪聲測(cè)試、模態(tài)測(cè)試及模態(tài)計(jì)算的角度分析了變速器的共振問題，對(duì)下一步的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。

變速器；共振；模態(tài)測(cè)試；模態(tài)計(jì)算

0　引言

汽車變速器是一套用于協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車輪的實(shí)際行駛速度的變速裝置，用于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能[1]。汽車變速器是汽車傳動(dòng)系中最主要的部件之一，其振動(dòng)與噪聲水平影響著駕駛員和乘客的舒適性。

機(jī)械式變速器一般包含殼體部分、傳動(dòng)部分、操作部分。傳動(dòng)部分是指齒輪、軸、軸承等傳動(dòng)件，其中齒輪嚙合屬于典型的剛度激勵(lì)，也就是在變速器的輸入轉(zhuǎn)速和扭矩為常數(shù)時(shí)，變速器也因剛度激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)[2]。當(dāng)齒輪嚙合的激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振問題。固有頻率是彈性系統(tǒng)的固有屬性[3]，取決于結(jié)構(gòu)的剛度分布、質(zhì)量分布，可以調(diào)整，但無法消除。如何避免和降低共振對(duì)變速器NVH的影響是一個(gè)重要問題。

針對(duì)某六速機(jī)械式變速器，從振動(dòng)噪聲測(cè)試、模態(tài)測(cè)試、系統(tǒng)仿真的角度分析變速器的一階共振問題，給出其主要振型，對(duì)下一步的改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1　整箱振動(dòng)噪聲測(cè)試

經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該變速器總成滿載時(shí)，2、3、4擋在某些轉(zhuǎn)速段噪聲偏高，尤其是2擋在超過2 000 r/min以后噪聲急劇升高，如圖1所示。通過分析三維頻譜圖可知，是由于齒輪嚙合激起了450 Hz左右的共振帶引起。通過進(jìn)一步的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同的輸入扭矩，共振轉(zhuǎn)速段發(fā)生偏移，這說明系統(tǒng)存在非線性因素。對(duì)于變速器而言，材料塑性很小且變形屬于小位移，而接觸屬于非線性，尤其是軸承接觸。

2　變速器系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試

出于安全考慮沒有進(jìn)行變速器整箱正常輸入扭矩下的模態(tài)測(cè)試，而是通過外界條件給中間軸施加向上的力，這種載荷的施加方式與實(shí)際情況相比，在力的大小和方向上都會(huì)存在一定偏差，是一種近似模擬。

圖2為中間軸徑向傳遞函數(shù)，從圖2(a)可以看出:在1 000 Hz以內(nèi)存在兩處明顯共振區(qū)域，第一處在180～250 Hz，幅值較小，不隨中間軸受力的變化而變化，同樣存在于圖2(b)變速器殼體上點(diǎn)與中間軸上點(diǎn)之間的互傳遞函數(shù)上，可見該處共振是變速器系統(tǒng)的全局模態(tài);第二處在400～500 Hz之間，隨著中間軸受力的增加共振頻率升高，與整箱的共振頻率相近、趨勢(shì)相符。由于在變速器內(nèi)部不好測(cè)量，振型不太清楚，有待用仿真的方法進(jìn)一步驗(yàn)證模態(tài)振型的特點(diǎn)。

3　變速器系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算

建立變速器有限元模型，為保證系統(tǒng)分析的有效性，對(duì)箱體總成和軸總成均進(jìn)行了有限元模型修正，使得仿真結(jié)果可以較好地模擬系統(tǒng)的真實(shí)特性。在該模型中，將軸承看成是一個(gè)6自由度的彈性單元，連接了中間軸總成與箱體總成，在此之前要通過其他分析軟件或測(cè)試系統(tǒng)得到滿載工況下軸承各自由度的剛度。

表1為變速器系統(tǒng)的前10階固有頻率，其中前兩階振型為系統(tǒng)懸臂梁式的上下與左右擺動(dòng)，如圖3所示。第3～5階以中間軸總成的軸向振動(dòng)為主，第6、7、8階以中間軸總成一階彎曲為主，第9階和第10階以殼體的彈性變形為主，耦合了中間軸總成的彎曲。只有在共振的主振型上存在激勵(lì)時(shí)才會(huì)激起相應(yīng)的共振響應(yīng)，雙中間軸的激勵(lì)模式為兩根中間軸受相向的徑向力，也就是第6階模態(tài)，振型如圖4所示。其模態(tài)頻率與第2節(jié)模態(tài)測(cè)試的結(jié)果十分接近，驗(yàn)證了齒輪的嚙合激起了中間軸一階彎曲為主振型的系統(tǒng)模態(tài)，導(dǎo)致了共振的產(chǎn)生。

表1　模態(tài)頻率表　Hz

4　結(jié)論

噪聲測(cè)試發(fā)現(xiàn)：450 Hz的共振帶對(duì)該六速變速器的NVH性能有較大影響。通過試驗(yàn)測(cè)試與仿真分析驗(yàn)證，該模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)于以中間軸的一階彎曲為主要振型的模態(tài)。這為后期繼續(xù)改善該問題提供了很好的指導(dǎo)作用，并可以繼續(xù)在該有限元模型上預(yù)測(cè)各種改進(jìn)措施的效果，進(jìn)而選擇最優(yōu)的方案進(jìn)行試制，達(dá)到節(jié)約時(shí)間和金錢成本的目的。

【1】王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:78-89.

【2】李潤(rùn)方，王建軍.齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué):振動(dòng)、沖擊、噪聲[M].北京:科學(xué)出版社，1997:35-48.

【3】傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，2000:215-306.

Research on Transmission Resonance by Testing and Calculating

CHEN Xiaoli

(Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Xi’an Shaanxi 710119,China)

Gear-driven system of mechanical transmission is a representative self-excitation system, even the input speed and input torque are constant, there still has gear whine. When gear meshing excites system’s resonance, gear whine will increase greatly, this will influence driver and passenger’s comfort. Taking a 6 speed transmission as an example, its resonance was analyzed from the point view of NVH testing, modal testing and modal calculation. The results have guiding significance for following improvement work.

Transmission; Resonance; Modal testing; Modal calculation

2015-03-25

陳曉利(1982—),女，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽兯倨髟肼暸c振動(dòng)。E-mail：chenxiaoli_npu@163.com。