變速器共振特性測試及仿真研究

陳曉利

(陜西法士特集團公司汽車傳動工程研究院,陜西西安 710119)

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變速器共振特性測試及仿真研究

陳曉利

(陜西法士特集團公司汽車傳動工程研究院,陜西西安 710119)

機械式變速器的齒輪傳動部分是典型的剛度自激勵系統，即使輸入轉速和扭矩為常數時，也會產生齒輪嘯叫，當齒輪的嚙合激勵激起系統的共振時，嘯叫噪聲將大幅增加，影響駕駛員和乘客的乘坐舒適型。以一款六速變速器為例，從振動噪聲測試、模態測試及模態計算的角度分析了變速器的共振問題，對下一步的改進具有指導意義。

變速器；共振；模態測試；模態計算

0　引言

汽車變速器是一套用于協調發動機的轉速和車輪的實際行駛速度的變速裝置，用于發揮發動機的最佳性能[1]。汽車變速器是汽車傳動系中最主要的部件之一，其振動與噪聲水平影響著駕駛員和乘客的舒適性。

機械式變速器一般包含殼體部分、傳動部分、操作部分。傳動部分是指齒輪、軸、軸承等傳動件，其中齒輪嚙合屬于典型的剛度激勵，也就是在變速器的輸入轉速和扭矩為常數時，變速器也因剛度激勵而產生振動[2]。當齒輪嚙合的激勵頻率與系統的固有頻率相同時，就會產生共振問題。固有頻率是彈性系統的固有屬性[3]，取決于結構的剛度分布、質量分布，可以調整，但無法消除。如何避免和降低共振對變速器NVH的影響是一個重要問題。

針對某六速機械式變速器，從振動噪聲測試、模態測試、系統仿真的角度分析變速器的一階共振問題，給出其主要振型，對下一步的改進具有重要的指導意義。

1　整箱振動噪聲測試

經試驗臺架測試發現：該變速器總成滿載時，2、3、4擋在某些轉速段噪聲偏高，尤其是2擋在超過2 000 r/min以后噪聲急劇升高，如圖1所示。通過分析三維頻譜圖可知，是由于齒輪嚙合激起了450 Hz左右的共振帶引起。通過進一步的測試發現，不同的輸入扭矩，共振轉速段發生偏移，這說明系統存在非線性因素。對于變速器而言，材料塑性很小且變形屬于小位移，而接觸屬于非線性，尤其是軸承接觸。

2　變速器系統模態測試

出于安全考慮沒有進行變速器整箱正常輸入扭矩下的模態測試，而是通過外界條件給中間軸施加向上的力，這種載荷的施加方式與實際情況相比，在力的大小和方向上都會存在一定偏差，是一種近似模擬。

圖2為中間軸徑向傳遞函數，從圖2(a)可以看出:在1 000 Hz以內存在兩處明顯共振區域，第一處在180～250 Hz，幅值較小，不隨中間軸受力的變化而變化，同樣存在于圖2(b)變速器殼體上點與中間軸上點之間的互傳遞函數上，可見該處共振是變速器系統的全局模態;第二處在400～500 Hz之間，隨著中間軸受力的增加共振頻率升高，與整箱的共振頻率相近、趨勢相符。由于在變速器內部不好測量，振型不太清楚，有待用仿真的方法進一步驗證模態振型的特點。

3　變速器系統模態計算

建立變速器有限元模型，為保證系統分析的有效性，對箱體總成和軸總成均進行了有限元模型修正，使得仿真結果可以較好地模擬系統的真實特性。在該模型中，將軸承看成是一個6自由度的彈性單元，連接了中間軸總成與箱體總成，在此之前要通過其他分析軟件或測試系統得到滿載工況下軸承各自由度的剛度。

表1為變速器系統的前10階固有頻率，其中前兩階振型為系統懸臂梁式的上下與左右擺動，如圖3所示。第3～5階以中間軸總成的軸向振動為主，第6、7、8階以中間軸總成一階彎曲為主，第9階和第10階以殼體的彈性變形為主，耦合了中間軸總成的彎曲。只有在共振的主振型上存在激勵時才會激起相應的共振響應，雙中間軸的激勵模式為兩根中間軸受相向的徑向力，也就是第6階模態，振型如圖4所示。其模態頻率與第2節模態測試的結果十分接近，驗證了齒輪的嚙合激起了中間軸一階彎曲為主振型的系統模態，導致了共振的產生。

表1　模態頻率表　Hz

4　結論

噪聲測試發現：450 Hz的共振帶對該六速變速器的NVH性能有較大影響。通過試驗測試與仿真分析驗證，該模態頻率對應于以中間軸的一階彎曲為主要振型的模態。這為后期繼續改善該問題提供了很好的指導作用，并可以繼續在該有限元模型上預測各種改進措施的效果，進而選擇最優的方案進行試制，達到節約時間和金錢成本的目的。

【1】王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社，2004:78-89.

【2】李潤方，王建軍.齒輪系統動力學:振動、沖擊、噪聲[M].北京:科學出版社，1997:35-48.

【3】傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社，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

陳曉利(1982—),女，碩士，工程師，研究方向為變速器噪聲與振動。E-mail：chenxiaoli_npu@163.com。