汽車齒輪變速箱的振動分析與優(yōu)化設(shè)計研究

高文舉

（華菱星馬汽車（集團）股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

汽車齒輪變速箱的振動分析與優(yōu)化設(shè)計研究

高文舉

（華菱星馬汽車（集團）股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

汽車變速齒輪傳動裝置是汽車動力系統(tǒng)本身極其重要的設(shè)備之一，它的振動和工作性能會反映到汽車駕駛當(dāng)中的安全性和舒適度，并且會極大的影響汽車的整體性能。因此對于汽車齒輪變速箱的研究與分析十分必要，我們自分析過程中通過建模仿真來模擬現(xiàn)實，在模擬中向現(xiàn)實靠近以得到最真實的數(shù)據(jù)。針對汽車齒輪變速箱的振動分析可以為改變傳動裝置振動噪音提供依據(jù)，也就是為優(yōu)化設(shè)計提供保障。

汽車變速箱 齒輪傳動系 優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)代社會高速發(fā)展，對工業(yè)技術(shù)的要求越來越高，整個汽車工業(yè)向著更高速、高效、自動化的方向發(fā)展。當(dāng)汽車工業(yè)向前邁進，汽車變速箱的振動對整個汽車性能的好壞又起到一個關(guān)鍵作用，傳遞功率就將會不斷加大，對汽車變速箱的要求也更高，對駕駛員的集中力影響，對汽車工作性能的影響也會越來越大，汽車變速箱的振動噪音等問題也會越來越受到重視。

1　汽車齒輪變速箱的結(jié)構(gòu)與分類

研究汽車齒輪變速箱的振動必須了解汽車齒輪變速箱的內(nèi)部構(gòu)造，汽車齒輪變速箱有強制、半自動及自動式操縱變速箱三種類型。它的主要功能是調(diào)整變化傳動比，也就是控制汽車本身在不同環(huán)境、路況與速度下進行處理。汽車變速箱的結(jié)構(gòu)有兩部分，一個是變速傳動機構(gòu)主要用于傳遞速度、扭矩等，另一個是變速操縱機構(gòu)主要用于控制傳動機構(gòu)。

2　汽車齒輪變速箱振動問題

汽車變速箱的齒輪嚙合是隨著時間而變化的，是一個動態(tài)的過程。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，變速箱就成為一個以時間為變化的動態(tài)系統(tǒng)。因此，齒輪運轉(zhuǎn)不是一個單一的一成不變的過程，而是一個多軸、多動向、多層次的動態(tài)振動過程。需要同時兼顧多個方向的問題才能深度探究齒輪變速箱的問題。

汽車齒輪變速箱的運轉(zhuǎn)依靠齒輪傳動系統(tǒng)的振動激勵，包括外部和內(nèi)部激勵兩個部分。外部激勵是發(fā)動機輸入力矩及負(fù)載的力矩波動或變化，內(nèi)部激勵是嚙合部分直接產(chǎn)生的激勵。內(nèi)部激勵又分為剛和激勵、誤差激勵及嚙合沖擊激勵。其中嚙合沖擊激勵是汽車齒輪變速箱產(chǎn)生振動和噪聲的主要部分。因此我們需要建立動力學(xué)模型來深度分析以達到振動最小化的目標(biāo)。

2.1建立動力學(xué)模型

通過MASTA軟件建立傳動系動力學(xué)模型以深度分析汽車齒輪變速箱的運轉(zhuǎn)狀況，以高仿真方式模擬來解決相應(yīng)問題，是優(yōu)化設(shè)計的最大關(guān)鍵。

2.2齒輪與軸的建模

建模在MASTA軟件中是通過設(shè)置參數(shù)來完成的，只要將關(guān)鍵數(shù)據(jù)如中心距、齒數(shù)及壓力角等數(shù)據(jù)輸入，就會自動生成二維或三維的模型。在MASTA軟件中，軸分為標(biāo)準(zhǔn)軸和異形軸這兩類。標(biāo)準(zhǔn)軸是指結(jié)構(gòu)對稱的軸，異形軸則是指結(jié)構(gòu)不對稱的軸。標(biāo)準(zhǔn)軸在MASTA軟件中的核心模塊中就能建立，異形軸要選擇結(jié)構(gòu)柔性模塊來建立。在軟件中軸依然可以直接選擇材料，方便的進行處理建模中發(fā)生的問題。

2.3同步器及軸承建模

軸承作為一個標(biāo)準(zhǔn)件，在MASTA軟件中可以直接設(shè)置，選擇對應(yīng)的軸承，如NSK等。選擇之后將會自動生成，如果發(fā)生特殊情況需要特殊軸承，可以在軟件中加入軸承的新的參數(shù)來完成建模。

同步器支架周和與同步器相撇和的齒輪支架軸的建立是同步器建模的關(guān)鍵，支架軸和軸之間與齒輪支架軸所用連接不同，前者是花間連接，后者是滾針軸承連接。MASTA軟件會自動生成簡單的模型來幫助建模，也可以自定義同步器的參數(shù)，于此同時殼體導(dǎo)入也應(yīng)注意實際情況。

3　汽車齒輪變速箱的優(yōu)化

汽車齒輪變速箱的振動噪音可通過建模仿真得到可靠數(shù)據(jù)，從而進行合理的運算以達到振動最小化的目的，而這個目的就是優(yōu)化設(shè)計。如何優(yōu)化設(shè)計齒輪變速箱是不同于分析的一大關(guān)鍵點，當(dāng)?shù)玫较鄳?yīng)數(shù)據(jù)時注意收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)，善于總結(jié)得出結(jié)論并實施驗證是振動分析的最終目的。

3.1微觀修形優(yōu)化

從微觀的角度來看，汽車齒輪變速箱優(yōu)化分為齒向修形、齒廓修形和輪齒修形。

3.1.1齒向修形和齒廓修形

由于不存在絕對理想化的情況，輪齒齒面載荷分布會出現(xiàn)不均勻的狀況，因此齒輪設(shè)計者應(yīng)高度重視載荷的均勻性以達到優(yōu)化。產(chǎn)生不均勻的情況有兩種，一種為裝配誤差導(dǎo)致的本來相嚙合的副中心線不平行，出現(xiàn)嚙合齒輪錯位即偏載現(xiàn)象。另一種是傳動系統(tǒng)中載荷引起的軸變形，產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)。齒向修形在這時會起到提高齒輪承載力和傳動可靠性，對齒輪載荷的均勻性有明顯作用。以上可以看出，齒輪變速箱在運轉(zhuǎn)的過程中，遭受著荷載等問題使得各部位零件出現(xiàn)變形等出現(xiàn)誤差，因此齒向修形是非常有必要的。

齒廓修形是指在齒輪受到負(fù)載時會產(chǎn)生齒輪的彈性變形，產(chǎn)生齒輪的嚙入嚙出沖擊，同時齒輪嚙合剛度是不斷變化的，易發(fā)生載荷突變。人為的干涉齒輪運轉(zhuǎn)過程，適當(dāng)消去嚙合齒輪發(fā)生干涉的部分，以保證齒輪傳動的平穩(wěn)性，降低振動及噪音。

3.1.2輪齒修形

輪齒修形大部分都是按對來進行，很少進行單個加工。并且輪齒修形的標(biāo)準(zhǔn)各家企業(yè)、各個單位和國家標(biāo)準(zhǔn)都不相同。在輪齒修形進行的同時，必須要時刻注意頂部倒角的控制，因為修形受有效的齒頂圓直徑影響。如果不嚴(yán)格控制頂部倒角，齒輪的實際嚙合重合度會降低。在進行修形后，在輕、空載情況下增加了齒頂與齒輪的間隙，會產(chǎn)生壓流導(dǎo)致運轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)。

3.2宏觀參數(shù)優(yōu)化

宏觀參數(shù)的優(yōu)化可以在MASTA軟件下完成。傳動系統(tǒng)的承載力依舊是壽命和齒輪總體尺寸的比是提高汽車傳動系統(tǒng)的核心。齒輪的優(yōu)化處理要在齒輪的副中心距、精度和寬度都保持平衡即不變的基礎(chǔ)上進行，改變參數(shù)也可方便的在設(shè)計中改動。選擇安全系數(shù)或損傷率來實現(xiàn)優(yōu)化強度的改變，在MASTA中常用損傷率來進行這一改變。

4　結(jié)語

汽車齒輪變速箱是汽車傳動系統(tǒng)中關(guān)鍵的一部分，它的好壞決定著整個汽車傳動系統(tǒng)的感官和壽命。因此對于汽車齒輪變速箱的研究與分析十分必要，我們自分析過程中通過建模仿真來模擬現(xiàn)實，在模擬中向現(xiàn)實靠近以得到最真實的數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)再進行優(yōu)化設(shè)計與處理，這大大提高了整個汽車工業(yè)優(yōu)化的效率，也在分析優(yōu)化中對每一種情況能夠做出相應(yīng)的對策。這是此項研究的終極目的，因此汽車變速箱的振動研究及優(yōu)化設(shè)計應(yīng)得到更多的重視。

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