某5擋變速箱內(nèi)振動(dòng)仿真分析

田春雨 張繼東 王健輝 王巧玉

摘 要：文章以某手動(dòng)擋車(chē)型5檔同步嚙合變速箱作為研究對(duì)象。首先分析汽車(chē)變速箱產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的原因，闡述與其相關(guān)的聲學(xué)理論知識(shí);后用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)變速箱整體部件進(jìn)行進(jìn)一系列的振動(dòng)與噪聲仿真分析，包括變速箱工作時(shí)的振動(dòng)頻率與以及定點(diǎn)處的法向加速度，振動(dòng)的應(yīng)力大小以及應(yīng)力分布，得到變速箱箱體的振動(dòng)加速度分布情況以及數(shù)值。

關(guān)鍵詞：變速箱;模態(tài);振動(dòng)響應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-140-03

Abstract： In this paper， the 5-speed synchromesh gearbox of a manual transmission is taken as the research object. Firstly， the reason of the vibration and noise of the automobile gearbox is analyzed， and the related acoustic theory knowledge is expounded. The multiphysics software carries on a series of vibration and noise simulation analysis to the whole parts of gearbox， including the vibration frequency and the normal acceleration at the fixed point， the vibration stress size and the stress distribution， and obtains the distribution and value of the vibration acceleration of gearbox.

Keywords： Gearbox; Modes; Vibration response

CLC NO.： U463.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-140-03

1 引言

車(chē)用變速箱是車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成，正常運(yùn)行時(shí)，箱體中的齒輪在嚙合過(guò)程中處于單雙齒交替嚙合，嚙合剛度和載荷會(huì)產(chǎn)生突變，各輪齒的變形量與同時(shí)嚙合的輪齒個(gè)數(shù)均呈現(xiàn)周期性變化，嚙合剛度也發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生剛度激勵(lì)。剛度激勵(lì)的力學(xué)效應(yīng)會(huì)使齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)[1-2]。

2 模型定義

對(duì)變速箱進(jìn)行多體分析，計(jì)算齒輪動(dòng)力學(xué)和殼體振動(dòng)，得到固有頻率、法向加速度和振動(dòng)頻率[3]。

2.1 變速箱中的零件

2.1.1 齒輪

假定齒輪均為剛性，齒輪嚙合為彈性，齒輪特性如表1所示。

2.1.2 軸

研究所需要的工作條件包括發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、承載扭矩以及嚙合齒輪對(duì)數(shù)，如表2所示。

2.2 變速箱固有頻率計(jì)算

以五檔轉(zhuǎn)速為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，得到五檔嚙合時(shí)變速箱固有頻率，如表3所示。

隨著頻率的增大振動(dòng)的振幅將增大，所以第五階固有頻率時(shí)振幅最大，最具有研究?jī)r(jià)值[4]，因此選擇2132.3Hz作為主要固有頻率進(jìn)行分析。

3 變速箱振動(dòng)計(jì)算

3.1 應(yīng)力

主傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一周為1個(gè)周期T，T等于0.075398s，在0-T范圍內(nèi)，對(duì)變速箱主傳動(dòng)軸進(jìn)行時(shí)域多體動(dòng)力學(xué)分析。以五檔轉(zhuǎn)速為研究對(duì)象，計(jì)算可得時(shí)箱體中Von Mises應(yīng)力云圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，鉸鏈支撐處（y-z面）的應(yīng)力最大，為2.03×107N/m?，以支撐鉸鏈為中心點(diǎn)向外逐減小。說(shuō)明Von Mises應(yīng)力以支撐鉸鏈為中心點(diǎn)向外擴(kuò)散，變速箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間，在綜合力作用下開(kāi)始產(chǎn)生摩擦振動(dòng)[5]。

3.2 法向加速度

添加法向加速度研究，并選取變速箱箱體為研究參考點(diǎn)，以變速箱五檔工作時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算法向加速度，如圖3為箱體的法向加速度云圖。

由圖4可以看出，主副齒輪傳動(dòng)軸的支撐鉸鏈處法向加速度較大，主副齒輪傳動(dòng)軸的法向加速度方向相反，與旋轉(zhuǎn)方向一致，主傳動(dòng)軸的法向加速度對(duì)于變速箱箱體的影響相對(duì)較大。

選擇變速箱殼上的任意一個(gè)點(diǎn)位置，研究變速箱箱體上某一點(diǎn)法向加速度隨主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期的變化情況。齒輪箱頂部某一點(diǎn)的法向加速度的時(shí)間歷程如圖4所示。從圖可知，變速箱箱體振動(dòng)占主導(dǎo)地位的頻率范圍為1000 Hz-3000 Hz。

通過(guò)連續(xù)傅里葉變換解得到法向加速度頻譜圖，如圖5所示。

由圖5可知，變速箱頂部參考點(diǎn)處振動(dòng)加速度在齒輪的嚙合基本頻率點(diǎn)附近出現(xiàn)了峰值，由此說(shuō)明輪齒嚙合頻率對(duì)箱體振動(dòng)產(chǎn)生了較大的影響，同時(shí)根據(jù)噪聲與振動(dòng)理論預(yù)測(cè)，將可能在峰值頻率處出現(xiàn)噪聲峰值[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)變速箱整體進(jìn)行頻域分析，可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力基本集中在支撐鉸鏈處，且振動(dòng)通過(guò)支撐鉸鏈與箱體的連接部分傳遞至箱體表面。

（2）箱體表面的Von Mises應(yīng)力分布較為平均，同時(shí)箱體的法向加速度也相對(duì)集中，主要分布在主副傳動(dòng)軸的鉸鏈支撐處以及車(chē)架對(duì)箱體的支撐處，主傳動(dòng)軸教練支撐處與副傳動(dòng)軸的鉸鏈支撐處以及車(chē)架對(duì)箱體的支撐處的法向加速度方向相反。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝慧敏，盧劍偉，張笑，等.某MPV車(chē)型變速箱異常振動(dòng)噪聲識(shí)別分析[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2016，6（3）：196-202.

[2] 韓珈琪.汽車(chē)變速箱振動(dòng)噪聲控制研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2016，（12）：944-944.

[3] 李建偉，朱鵬偉.變速箱振動(dòng)對(duì)汽車(chē)噪聲的影響分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016，（2）：63-63，65.

[4] 謝富科，張振華.變速箱振動(dòng)對(duì)汽車(chē)噪聲的影響初探[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017，（17）：417-417.

[5] 劉慧，胡建中，湯永旸.淺談汽車(chē)變速箱的振動(dòng)與噪聲測(cè)試[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017，（9）：266.

[6] 馬維金，吳文軒，王俊元，等.汽車(chē)變速箱振動(dòng)噪聲時(shí)頻域分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2017，41（1）：96-99.