汽車變速箱的振動分析與優(yōu)化設(shè)計研究

摘 要：汽車齒輪變速箱對于汽車正常行駛來說十分重要，其是汽車正常行駛過程中不可或缺的變速傳動設(shè)備。汽車變速箱在運行過程中出現(xiàn)振動會對汽車正常行駛的安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。現(xiàn)文章就汽車變速箱的振動情況開展研究，同時針對汽車變速箱的振動情況提出相應(yīng)的優(yōu)化與改善。

關(guān)鍵詞：汽車變速箱；振動分析；優(yōu)化設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.244

汽車變速箱的出現(xiàn)振動不單單會對汽車的正常運行產(chǎn)生不良影響，同時還會導(dǎo)致駕駛員在駕駛過程中分心，無法專注駕駛。長時間在充滿振動與噪音的外部情況下駕駛汽車，會使得駕駛員情緒波動煩躁，難以集中注意力，進(jìn)而導(dǎo)致駕駛失誤，嚴(yán)重出現(xiàn)安全事故。因此，對汽車變速箱進(jìn)行振動分析與優(yōu)化設(shè)計對于提升汽車使用性能，減少交通事故有著重要的作用。

1 汽車齒輪變速箱的分類與結(jié)構(gòu)

1.1 汽車齒輪變速箱的分類

汽車齒輪變速箱以使用方式來進(jìn)行分類可以將其分為三種：

（1）強(qiáng)制操縱式。該方式是一種應(yīng)用的相對更加廣泛的換擋方法。駕駛員在駕駛汽車的時候要換擋是直接手握變速箱的操縱桿來換擋。這種方式是依靠人力手動進(jìn)行；

（2）半自動操縱式。半自動操縱式換擋也分為兩種不同的方式。一是在固定的檔位中開展自動操作，但是不是固定檔位需要掛檔就要駕駛員手動操作[1]。二是一種預(yù)選是半自動操作方式。汽車內(nèi)部利用電子裝置先將需要使用的檔位預(yù)設(shè)好，自動式操作變速箱的傳動比是自動形成的。在這一情況下，駕駛員僅僅只要在駕駛室內(nèi)踩踏加油門與剎車的時候電子系統(tǒng)就可以執(zhí)行換擋操作；

（3）自動式操縱變速箱。該方式是全自動的，汽車變速箱的傳動比是不需要人工操作的。駕駛員在駕駛室內(nèi)僅僅只要踩踏油門或剎車就可以自由對車速進(jìn)行控制。汽車齒輪變速箱以齒輪組轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)方案來進(jìn)行分類其可以分為以下三種：

1）兩軸式。兩軸式即為汽車變速箱內(nèi)只有兩軸，該兩軸分別為輸入軸與輸出軸；

2）三軸式。三軸式是相對于兩軸式來說，增加了一個軸。汽車變速箱內(nèi)除了有輸入軸、輸出軸外還有中間軸。其輸入軸與輸出軸是在同一根線上的。綜合來看，三軸式的傳動效率要明顯高于兩軸式。三軸式變速箱所采用的是多對齒輪同時傳動，其傳動比要明顯大于兩軸式，并且能夠直接變檔，所以三軸式的傳動效率要比兩軸式的要高[2]。

1.2 汽車齒輪變速箱的功能

在汽車?yán)锲圐X輪變速箱的作用是用來調(diào)整變化傳動比的。調(diào)整變化傳動比可以實現(xiàn)多種功能。例如，倒車、停車、空擋等。調(diào)整變化汽車的傳動比可以讓汽車行駛在路面上的時候面對不同路況的時候來調(diào)整自身的牽引力。這樣就可以讓汽車發(fā)動機(jī)的作用得到最大程度的發(fā)揮，還可以符合駕駛員對速度的需求。汽車行駛過程中由于路面、環(huán)境等各種因素的不同，需要汽車驅(qū)動扭矩和行駛速度可以在限定的范圍內(nèi)調(diào)整改變，從而來滿足不同環(huán)境下的駕駛需求。并且汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍不大，所以其轉(zhuǎn)矩變化過小難以符合實際駕駛過重的環(huán)境需求。相對發(fā)動機(jī)來說，汽車的變速箱就擁有更大范圍的調(diào)整空間。汽車齒輪變速箱可以在更大范圍內(nèi)調(diào)整扭矩與行駛速度。在不同的行駛需求下汽車可以靈活自由的調(diào)整速度。例如，在高速公路的時候需要行駛到100km/h，在人流車流較多的市區(qū)車速可以根據(jù)實際情況在30-50km/h的范圍內(nèi)變動。在汽車行駛過程中不僅僅需要前進(jìn)，而且還有需要倒車的時候[3]。倒車就是汽車倒退行駛，而齒輪變速箱中的這一功能就是可以實現(xiàn)汽車倒退行駛。中斷傳輸動力也是汽車在行駛過程中需要實現(xiàn)的功能之一。當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)已經(jīng)啟動，汽車換擋或者需要停車的時候，可以利用變速箱來中斷汽車驅(qū)動輪的動機(jī)輸送。如果在離合器已經(jīng)接合的情況下，變速箱能夠?qū)崿F(xiàn)動力不輸出。在實際的駕駛過中就是發(fā)動機(jī)在運轉(zhuǎn)的時候，駕駛員可以松開離合器，空檔離開駕駛座位[4]。

2 汽車齒輪變速箱的基本結(jié)構(gòu)

2.1 變速傳動機(jī)構(gòu)

汽車變速傳動機(jī)構(gòu)的元件由齒輪、軸系等。其工作原理為變速箱調(diào)整傳動系的轉(zhuǎn)速來獲取傳動比。一般來說傳動方案分為兩種，即為兩軸式與三軸式。兩軸式就是通過一對齒輪進(jìn)行變速的情況，而三軸式就是通過兩隊齒輪進(jìn)行變速的情況。

2.2 變速操縱機(jī)構(gòu)

變速操縱機(jī)構(gòu)的元件包括同步器、換檔操縱機(jī)構(gòu)等，其主要供就在于控制汽車的傳動機(jī)構(gòu)，來改變汽車變速器的傳動比[5]。同步器元件包括同步鎖環(huán)、滑塊等部分。當(dāng)前同步器的工作方式有兩種，分別為慣性式與慣性增力式。這兩種工作模式都是利用摩擦來進(jìn)行同步。在進(jìn)行設(shè)計的過程中，兩種摩擦的元件鎖止角與錐面已經(jīng)經(jīng)過了相應(yīng)的選擇。利用錐面形成的摩擦作用，等待嚙合的齒輪與齒圈就會快速的實現(xiàn)同步，并且在達(dá)到鎖止的效果。這一功能的實現(xiàn)可以預(yù)防齒輪在尚未同步的時候發(fā)生嚙合。

換檔操縱機(jī)構(gòu)的元件由換檔撥叉軸以及撥叉等。以變速操縱所在位置的差異，換檔操縱結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型，分別是直接操縱式以及遠(yuǎn)距離操縱式。

（1）直接操縱式。直接操縱式就是指能夠?qū)崿F(xiàn)直接換檔的變速箱與駕駛員座位十分靠近，駕駛員可以直接對該設(shè)備進(jìn)行操作實現(xiàn)換檔；

（2）遠(yuǎn)距離操縱式。遠(yuǎn)距離操縱式換檔就是換檔設(shè)備與駕駛員的距離較遠(yuǎn)，無法直接換檔，所以在其中間加設(shè)了傳動桿件，進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操縱。這兩種方式對比來說，各有其適合的車輛與車輛特點。直接操縱式換檔比較建議，操縱起來更加便捷，大部分的小轎車與長頭貨車都比較適合。而遠(yuǎn)距離操縱的剛性更強(qiáng)，并且要求各個元件之間的連接縫隙要盡可能的小，以保證在換檔的時候有明顯手感，轎車與輕型汽車上比較適合使用這一方式[6]。

3 汽車變速箱振動分析

3.1 齒輪系統(tǒng)振動原理

齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵可以將其包括內(nèi)部與外部激勵兩種。

（1）外部激勵。發(fā)動機(jī)的主動力矩以及負(fù)載的阻力與阻力矩；

（2）內(nèi)部激勵，可以分為剛度激勵、誤差激勵以及嚙合沖擊激勵。正時齒輪嚙合沖擊是齒輪形成噪音的主要因素。嚙合中的齒輪可以被當(dāng)做是一個板簧，其在交變荷載作用下彈性變形并且由于齒輪的各種誤差會造成附加的沖擊載荷，使得齒輪產(chǎn)生圓周振動，形成齒輪上的動載荷。這種動載荷通過軸、軸承傳遞到殼體上，進(jìn)而導(dǎo)致殼體的振動。圖1即為基礎(chǔ)變速器傳動系統(tǒng)振動的傳遞路徑。

3.2 汽車變速箱體的振動

汽車變速箱齒輪輪齒的嚙合是會跟著時間而出現(xiàn)動態(tài)改變的。因此，齒輪轉(zhuǎn)動可以看作時間變化的動態(tài)系統(tǒng)。齒輪轉(zhuǎn)動是一個多對的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。齒輪與軸、軸與軸承之間都是相互裝配的關(guān)系[7]。因此，變速箱可以被看做是一個相互耦合的實時動態(tài)系統(tǒng)。從激勵的角度來看，嚙合齒輪同時具有徑向與切向嚙合力。綜合來看，當(dāng)汽車變速箱發(fā)生振動的時候并不是一個單純的問題，但是一個多軸、多轉(zhuǎn)向、多級的動態(tài)振動問題。所以，要對汽車變速箱的振動進(jìn)行探究就要兼顧齒輪傳動的各項因素。

3.3 汽車齒輪變速箱建模

本次研究結(jié)構(gòu)圖使用的是MASTA軟件進(jìn)行仿真建模。

3.3.1 軸的建模

在MASTA軟件中進(jìn)行軸的建模有標(biāo)準(zhǔn)軸與異性軸可以供選擇。標(biāo)準(zhǔn)軸是結(jié)構(gòu)對稱的，異形軸是結(jié)構(gòu)不對稱的。一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)軸在MASTA軟件中核心功能中可以實現(xiàn)。而建立異形軸則要使用MASTA軟件中的結(jié)構(gòu)柔性模塊來進(jìn)行。本次研究的汽車齒輪變速箱的三根軸均為標(biāo)準(zhǔn)軸，因此可以直接建立。首先建立光軸，然后在光軸的基礎(chǔ)上添加各種要素，包括內(nèi)孔、臺階面等；然后，建立定義軸的溝槽、設(shè)計表面粗糙度等細(xì)節(jié)，在選擇軸的材方面可以直接從MASTA軟件數(shù)據(jù)庫中選擇現(xiàn)成的材料[8]。

3.3.2 齒輪的建模

在MASTA軟件中，試論建模是通過參數(shù)的設(shè)置來進(jìn)行的，相關(guān)數(shù)據(jù)包括齒數(shù)、螺旋角、壓力角、中心距等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入關(guān)鍵數(shù)據(jù)后齒輪的二維與三維模型就能夠自行生成。關(guān)于齒輪的材料選擇方面與軸材料的選擇方式相同，即為直接選擇默認(rèn)材料。齒輪副的建模與上述建模方式相同。

3.3.3 軸承的建模

軸承是一種標(biāo)準(zhǔn)件，在MASTA軟件的軸承數(shù)據(jù)庫中包括各種累積的軸承。例如SKF、NSK等。通常來說，可以從數(shù)據(jù)庫中直接選擇相對應(yīng)的軸承，即可以實現(xiàn)自動生成。如遇到特殊情況可以通過設(shè)置軸承的基本參數(shù)來添加新軸承，基本參數(shù)包括內(nèi)外徑、寬度、滾子參數(shù)等。

3.3.4 同步器的建模

要對同步器進(jìn)行建模首先要建立同步器的支架周與同步器相撇和的齒輪支架軸。支架軸與軸之間采用的是花間連接，齒輪支架軸使用的是滾針軸承連接。在同步器建模后，軟件會自動形成簡單模型。對屬性的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改可以自定義同步器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.3.5 殼體的導(dǎo)入

在MASTA軟件中殼體的剛度接近無窮大，顯然這一狀態(tài)與現(xiàn)實情況是必然不同的。由于要獲得更加準(zhǔn)確的計算結(jié)果，就要適當(dāng)?shù)目紤]殼體的實際剛度。在MASTA軟件中的結(jié)構(gòu)柔性模塊可以將殼體的實際模型導(dǎo)入進(jìn)去，然后對其剛度進(jìn)行選擇與調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)考慮到其剛度的情況，開展各種仿真分析。

3.4 宏觀參數(shù)優(yōu)化

要實現(xiàn)汽車傳動系統(tǒng)功能的提升就要關(guān)注傳動系統(tǒng)的承載能力以及總體尺寸的比值。這是提升傳統(tǒng)系統(tǒng)能力的關(guān)鍵。在MASTA軟件中，要對齒輪進(jìn)行優(yōu)化處理需要始終保持齒輪副中心距、寬度、精度都保持不變的基礎(chǔ)上開展的。如果需要對該參與進(jìn)行調(diào)整可以在MASTA軟件中進(jìn)行快捷的挑調(diào)整。基于這一前提，強(qiáng)度、優(yōu)化強(qiáng)度就是需要關(guān)注的提升要素。

4 結(jié)束語

伴隨著人們生活水平的提升，人們對于行駛車輛乘坐的舒適性提出了更高的需求。對汽車變速箱進(jìn)行振動分析與優(yōu)化設(shè)計對于提升汽車使用性能，減少交通事故有著重要的作用。賈少汽車變速箱振動，降低其噪音成為了汽車制造行業(yè)的重要課題。汽車制造企業(yè)要對汽車變速箱進(jìn)行充分的重視，并且在技術(shù)不斷成熟的基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化。

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作者簡介：蘇軍（1980-），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，中級講師，工程師，研究方向：車輛工程。