变速箱齿轮拍击柔体动力学分析与优化

张兴

摘 要：为探究变速箱内齿轮在空载时的拍击历程，从而降低齿轮的拍击噪声，优化整车的NVH。根据实际工况，在ADAMS软件中，建立变速箱齿轮的柔体动力学拍击模型，完成了发动机扭振与负载的模拟，通过对模型进行仿真，分析主从动齿轮在稳态时的角速度以及啮合力关系。分析了齿轮在受到发动机扭振激励下的拍击过程。通过频域分析可知，齿轮产生拍击是由于发动机的扭振频率及其倍频所产生。对齿轮的转动惯量进行优化，同时优化齿轮的角加速度激励，降低了齿轮的拍击力，减小了拍击噪声。

关键词：齿轮；柔体；ADAMS；动力学；拍击

中图分类号：U463 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0063-02

随着汽车工业的发展，对整车NVH的要求也日渐提高，由发动机扭振而产生的变速箱齿轮空载拍击噪声也愈发受到关注。由于齿轮传动涉及到啮合刚度，齿侧间隙等多重非线性问题，难以利用公式进行准确表达。本文利用ADAMS建立变速箱齿轮系统的柔体动力学模型，模拟齿轮在受到发动机扭振激励下的拍击过程，在时域和频域下分析拍击形成的原因，并通过优化，提出降低齿轮拍击噪声的方法[1-2]。

1 齿轮拍击动力学模型的建立

1.1 齿轮柔体模型的建立

在ANSYS软件中根据模态叠加原理，建立某型号变速箱四挡齿轮的模态中性文件，具体的齿轮技术参数如表1所示，材料参数如表2所示。

在ADAMS中，建立该齿轮的柔体动力学模型如图1所示。在齿轮体心刚性节点位置处设置旋转副；同时在齿轮间添加了柔体接触。

1.2 发动机扭振与负载的模拟

变速箱内齿轮空载时产生拍击主要是由于发动机的扭振造成的[3]。四缸发动机的转矩波动一般为输出转矩的十分之一左右，通过扭转减震器、飞轮、离合器，转速波动通常控制在转速的2%～5%。

在ADAMS中，首先模拟加速工况，设定为发动机在2秒内转速从1500上升到2000的工况。添加转速驱动函数：4*step（time，0，1，2，1.33）*sin（step（time，0，18000d，2，24000d）*time）+step（time，0，9000d，2，12000d）。

轴承滑动阻力和齿轮搅油阻力为系统的主要负载，可以通过在转动副上设置摩擦系数来进行模拟齿轮的运行阻力。通常若系统具有良好的润滑条件，轴承的动态摩擦系数设为0.05，静态摩擦系数设为0.08。

2 齿轮的拍击原理分析

通过对模型进行仿真，分析主、从动齿轮在稳态时的角速度以及啮合力关系。

分析齿轮波动的一个周期，首先主动齿轮开始加速，因惯性作用，从动齿轮匀速转动（因为时间比较短，此时不考虑阻力），当主动齿轮转过齿隙角度后，与从动齿轮发生碰撞，从而带动从动齿轮使其开始加速；此后，主动齿轮速度降低，同样因为惯性，从动齿轮开始匀速转过齿隙角度，然后与主动齿轮发生碰撞。

在频域分析中，研究从动齿轮角速度波动的组成成分，首先将从动齿轮的角速度曲线整体向下平移13058，使稳态角速度波动在0附近，以消除平均角速度的影响。对从动齿轮在2～3s间的角速度进行FFT变换。结果可知从动角速度的波动在66Hz处出现最大值，达210deg/sec，该频率为齿轮轴频的2倍，即驱动函数的激励频率。而在199Hz，333Hz，467Hz，600Hz，733Hz，866Hz，1000Hz，1133Hz，1266Hz等处出现了极大值，这些频率对应着激励频率的倍频。由此可见，驱动函数的激励频率及倍频组成了从动齿轮角速度波动变化，所以来自发动机的扭振激励是造成齿轮发生空载拍击的主要原因。

3 拍击力的优化

根据齿轮的拍击动力学理论，通过减小齿轮的转动惯量和降低原动机构的角加速度激励则可通过优化齿轮结构、材料和加强离合器的减震能力达到。

3.1 优化齿轮的转动惯量

使用钛合金代替原材料可以明显降低齿轮的转动惯量。在ANSYS软件中，设置原齿轮钛合金密度4500kg/m3，重新建立模态中性文件，并按原模型参数进行动力学模型的建立与仿真。

3.2 优化齿轮的角加速度激励

降低齿轮的角加速度激励可通过优化离合器的减震能力达到。通过修改单位时间内主动齿轮角速度的波动幅值，可以对齿轮的角加速度变化规律进行模拟。将齿轮的角速度波动缩减为实时转速的2%，添加激励函数：2*step（time，0，1，2，1.33）*sin（step（time，0，18000d，2，24000d）*time）+step（time，0，9000d，2，12000d），其余参数按原模型参数进行仿真。

3.3 优化结果分析

切向力是齿轮产生拍击噪声的主要分力，对比齿轮在原始状态下，优化角速度后，优化转动惯量后的切向力如图2所示。

由图2及表3可知，通过对转动惯量和角加速度激励的优化，齿轮的拍击力有较为显著的下降，降幅分别达到45.2%和42.1%，由此可以判断，对齿轮进行轻量化设计以及优化扭振波动，可以降低齿轮的拍击噪声。

4 结束语

本文利用ADAMS软件平台，建立变速箱四档齿轮的柔体动力学模型，模拟了发动机的扭振波动，对齿轮进行了空载拍击仿真。根据齿轮的角速度与拍击力，阐述了齿轮在转速波动下的拍击历程，并通过频域分析，可知产生齿轮拍击噪声的主要原因是发动机的扭振频率及其倍频造成。对系统进行优化，降低齿轮转动惯量和角加速度，齿轮的切向拍击力分别降低了45.2%和42.1%，由此可以判断，齿轮的拍击噪声得到了改善。

参考文献：

[1]董海军，沈允文，刘梦军.齿轮系统Rattling动力学行为研究[J].機械工程学报，2004，40（1）：136-141.

[2]张锁怀，沈允文，董海军.齿轮拍击系统的动力响应[J].振动工程学报，2003，16（1）：62-66.

[3]张靖.不同因素激励下齿轮传动动力学仿真及实验研究[D].重庆大学，2012：21-2.

[4]缪油花，胡大钧，闫春宇.基于ANSYS的齿轮弯曲应力、接触应力以及模态分析[J].科技创新与应用，2014（14）：1-3.endprint