变速器共振特性测试及仿真研究

陈晓利

(陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院,陕西西安 710119)



变速器共振特性测试及仿真研究

陈晓利

(陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院,陕西西安 710119)

机械式变速器的齿轮传动部分是典型的刚度自激励系统，即使输入转速和扭矩为常数时，也会产生齿轮啸叫，当齿轮的啮合激励激起系统的共振时，啸叫噪声将大幅增加，影响驾驶员和乘客的乘坐舒适型。以一款六速变速器为例，从振动噪声测试、模态测试及模态计算的角度分析了变速器的共振问题，对下一步的改进具有指导意义。

变速器；共振；模态测试；模态计算

0　引言

汽车变速器是一套用于协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的变速装置，用于发挥发动机的最佳性能[1]。汽车变速器是汽车传动系中最主要的部件之一，其振动与噪声水平影响着驾驶员和乘客的舒适性。

机械式变速器一般包含壳体部分、传动部分、操作部分。传动部分是指齿轮、轴、轴承等传动件，其中齿轮啮合属于典型的刚度激励，也就是在变速器的输入转速和扭矩为常数时，变速器也因刚度激励而产生振动[2]。当齿轮啮合的激励频率与系统的固有频率相同时，就会产生共振问题。固有频率是弹性系统的固有属性[3]，取决于结构的刚度分布、质量分布，可以调整，但无法消除。如何避免和降低共振对变速器NVH的影响是一个重要问题。

针对某六速机械式变速器，从振动噪声测试、模态测试、系统仿真的角度分析变速器的一阶共振问题，给出其主要振型，对下一步的改进具有重要的指导意义。

1　整箱振动噪声测试

经试验台架测试发现：该变速器总成满载时，2、3、4挡在某些转速段噪声偏高，尤其是2挡在超过2 000 r/min以后噪声急剧升高，如图1所示。通过分析三维频谱图可知，是由于齿轮啮合激起了450 Hz左右的共振带引起。通过进一步的测试发现，不同的输入扭矩，共振转速段发生偏移，这说明系统存在非线性因素。对于变速器而言，材料塑性很小且变形属于小位移，而接触属于非线性，尤其是轴承接触。

2　变速器系统模态测试

出于安全考虑没有进行变速器整箱正常输入扭矩下的模态测试，而是通过外界条件给中间轴施加向上的力，这种载荷的施加方式与实际情况相比，在力的大小和方向上都会存在一定偏差，是一种近似模拟。

图2为中间轴径向传递函数，从图2(a)可以看出:在1 000 Hz以内存在两处明显共振区域，第一处在180～250 Hz，幅值较小，不随中间轴受力的变化而变化，同样存在于图2(b)变速器壳体上点与中间轴上点之间的互传递函数上，可见该处共振是变速器系统的全局模态;第二处在400～500 Hz之间，随着中间轴受力的增加共振频率升高，与整箱的共振频率相近、趋势相符。由于在变速器内部不好测量，振型不太清楚，有待用仿真的方法进一步验证模态振型的特点。

3　变速器系统模态计算

建立变速器有限元模型，为保证系统分析的有效性，对箱体总成和轴总成均进行了有限元模型修正，使得仿真结果可以较好地模拟系统的真实特性。在该模型中，将轴承看成是一个6自由度的弹性单元，连接了中间轴总成与箱体总成，在此之前要通过其他分析软件或测试系统得到满载工况下轴承各自由度的刚度。

表1为变速器系统的前10阶固有频率，其中前两阶振型为系统悬臂梁式的上下与左右摆动，如图3所示。第3～5阶以中间轴总成的轴向振动为主，第6、7、8阶以中间轴总成一阶弯曲为主，第9阶和第10阶以壳体的弹性变形为主，耦合了中间轴总成的弯曲。只有在共振的主振型上存在激励时才会激起相应的共振响应，双中间轴的激励模式为两根中间轴受相向的径向力，也就是第6阶模态，振型如图4所示。其模态频率与第2节模态测试的结果十分接近，验证了齿轮的啮合激起了中间轴一阶弯曲为主振型的系统模态，导致了共振的产生。

表1　模态频率表　Hz

4　结论

噪声测试发现：450 Hz的共振带对该六速变速器的NVH性能有较大影响。通过试验测试与仿真分析验证，该模态频率对应于以中间轴的一阶弯曲为主要振型的模态。这为后期继续改善该问题提供了很好的指导作用，并可以继续在该有限元模型上预测各种改进措施的效果，进而选择最优的方案进行试制，达到节约时间和金钱成本的目的。

【1】王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社，2004:78-89.

【2】李润方，王建军.齿轮系统动力学:振动、冲击、噪声[M].北京:科学出版社，1997:35-48.

【3】傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社，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

陈晓利(1982—),女，硕士，工程师，研究方向为变速器噪声与振动。E-mail：chenxiaoli_npu@163.com。