汽车变速器齿轮轴的模态特性分析

吴智慧 姜洪远

摘 要：变速器是汽车传动系统的一个重要组成部分，它分为手动变速器和自动变速器，输入轴与发动机相连，输出轴与传动轴相连，承受车辆在各种复杂工况下的载荷和振动。变速器内部零部件的振动会产生一定的噪声，通过介质传播出去，另外内部零件产生共振时会使零件产生疲劳破坏，因此研究变速器齿轮轴的模态显得尤为重要，是变速器零部件结构设计和噪声控制的依据。

关键词：变速器；模态；振动

中图分类号：U467.3 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-39-02

Abstract： The transmission is an important part of the automobile transmission system， it can be divided into manual transmission and automatic transmission， the input shaft connected to the engine， output shaft connected to the drive shaft， withstand a load of vehicle under various complex conditions and vibration. Transmission of the internal parts will produce a certain amount of noise， vibration spread through the medium， the other internal components resonate worsened fatigue damage parts， so the mode of transmission gear shaft is particularly important，it is the basis of the transmission parts structure design and noise control.

Keywords： transmission； modal； vibration

CLC NO.： U467.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-39-02

前言

随着科学技术的发展，变速器的型号越来越多，可以适应不同车辆的行驶，变速器安全可靠的工作，是整个车辆正常行驶的基础。变速器需实现快速换挡和不同档位齿轮的啮合，就必须具有良好的动态特性，而变速器的第一齿轮轴为动力输入的轴，在变速器零部件中占据重要位置，研究其模态有着至关重要的意义，可以减少变速器的噪声和避免齿轮啮合产生共振。本文运用了Pro/E软件研究了手动变速器第一齿轮轴的动态特性，并对该固有特性进行了分析。

1 变速器齿轮轴模态分析基础

齿轮机构的动态特性包括固有特性、动态响应、动力稳定性等，其中固有特性是指结构的固有频率和振型。齿轮轴在交变载荷下，会产生轴向振动、径向振动和圆周振动，这些振动产生噪声并通过媒介传播出去。齿轮的啮合频率和固有频率存在整数倍关系，会发生共振。

齿轮轴的啮合频率由下面公式计算：

f=n·z/60

公式中，n表示齿轮转速，单位为r/min；z表示齿轮齿数。

发动机输出转速在0～4200r/min范围内变化，齿轮轴的啮合频率在0～1400Hz间变化。

2 变速器齿轮轴模态分析过程

采用Pro/E软件建立齿轮轴的三维模型，进入模态分析模块，对模型进行材料的定义，网格的划分，约束条件的建立，最后求解得到齿轮轴的前六阶振动频率。并通过前六阶频率与发动机的基频进行对比，齿轮啮合频率的对比，研究三者之间的关系，找出产生噪声的原因，确定共振的区域，避免该区域，优化变速器的结构。

本手动变速器齿轮轴的材料为20CrMnTi，其密度为7.9g/cm?，弹性模量为206Gpa，泊松比为0.3，其模态分析结果如下表：

啮合频率与固有频率互为整数倍关系，将发生共振，设计时要使啮合频率避开共振：基频为777.275Hz。

当啮合频率为基频，发动机输出转速2743.324r/min；

当啮合频率为基频的1/2时，发动机输出转速1371.617 r/min；

当啮合频率为基频的1/3时，发动机输出转速914.441 r/min；

当啮合频率为基频的1/4时，发动机输出转速685.831 r/min；

当啮合频率为基频的1/5时，发动机输出转速548.665 r/min；

当啮合频率为基频的1/6时，发动机输出转速457.221 r/min；

当啮合频率为基频的1/7时，发动机输出转速391.903 r/min；

当啮合频率为基频的1/8时，发动机输出转速342.916 r/min；

当啮合频率为基频的1/9时，发动机输出转速304.813 r/min；

当啮合频率为基频的1/10时，发动机输出转速274.332 r/min。

汽车从启动到加速，齿轮的啮合频率会经过与固有频率相同或者互为整数倍的点，行驶时需避免在这些点附近停留，采取减震降噪措施。

3 结论

通过对变速器第一齿轮轴进行模态分析，得到齿轮轴的前六阶固有频率，并探讨了与齿轮啮合频率之间的关系，分析汽车从起动直到加速到最大速度过程中，齿轮的啮合频率与固有频率相同或者互为整数倍，减少这些点的停留时间，避免齿轮发生共振和产生很大的噪声。本文的研究为汽车在各档行驶过程中，减小变速器噪声方面提供了有效的理论依据。

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