某5挡变速箱内振动仿真分析

田春雨 张继东 王健辉 王巧玉

摘 要：文章以某手动挡车型5档同步啮合变速箱作为研究对象。首先分析汽车变速箱产生振动与噪声的原因，阐述与其相关的声学理论知识;后用COMSOL Multiphysics软件对变速箱整体部件进行进一系列的振动与噪声仿真分析，包括变速箱工作时的振动频率与以及定点处的法向加速度，振动的应力大小以及应力分布，得到变速箱箱体的振动加速度分布情况以及数值。

关键词：变速箱;模态;振动响应

中图分类号：U463.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-140-03

Abstract： In this paper， the 5-speed synchromesh gearbox of a manual transmission is taken as the research object. Firstly， the reason of the vibration and noise of the automobile gearbox is analyzed， and the related acoustic theory knowledge is expounded. The multiphysics software carries on a series of vibration and noise simulation analysis to the whole parts of gearbox， including the vibration frequency and the normal acceleration at the fixed point， the vibration stress size and the stress distribution， and obtains the distribution and value of the vibration acceleration of gearbox.

Keywords： Gearbox; Modes; Vibration response

CLC NO.： U463.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-140-03

1 引言

車用变速箱是车辆传动系统的重要组成，正常运行时，箱体中的齿轮在啮合过程中处于单双齿交替啮合，啮合刚度和载荷会产生突变，各轮齿的变形量与同时啮合的轮齿个数均呈现周期性变化，啮合刚度也发生周期性变化，产生刚度激励。刚度激励的力学效应会使齿轮系统产生振动[1-2]。

2 模型定义

对变速箱进行多体分析，计算齿轮动力学和壳体振动，得到固有频率、法向加速度和振动频率[3]。

2.1 变速箱中的零件

2.1.1 齿轮

假定齿轮均为刚性，齿轮啮合为弹性，齿轮特性如表1所示。

2.1.2 轴

研究所需要的工作条件包括发动机的转速、承载扭矩以及啮合齿轮对数，如表2所示。

2.2 变速箱固有频率计算

以五档转速为研究对象进行计算，得到五档啮合时变速箱固有频率，如表3所示。

随着频率的增大振动的振幅将增大，所以第五阶固有频率时振幅最大，最具有研究价值[4]，因此选择2132.3Hz作为主要固有频率进行分析。

3 变速箱振动计算

3.1 应力

主传动轴旋转一周为1个周期T，T等于0.075398s，在0-T范围内，对变速箱主传动轴进行时域多体动力学分析。以五档转速为研究对象，计算可得时箱体中Von Mises应力云图，如图2所示。

由图2可以看出，铰链支撑处（y-z面）的应力最大，为2.03×107N/m?，以支撑铰链为中心点向外逐减小。说明Von Mises应力以支撑铰链为中心点向外扩散，变速箱运转时，相对运动部件之间，在综合力作用下开始产生摩擦振动[5]。

3.2 法向加速度

添加法向加速度研究，并选取变速箱箱体为研究参考点，以变速箱五档工作时为标准，计算法向加速度，如图3为箱体的法向加速度云图。

由图4可以看出，主副齿轮传动轴的支撑铰链处法向加速度较大，主副齿轮传动轴的法向加速度方向相反，与旋转方向一致，主传动轴的法向加速度对于变速箱箱体的影响相对较大。

选择变速箱壳上的任意一个点位置，研究变速箱箱体上某一点法向加速度随主传动轴转动周期的变化情况。齿轮箱顶部某一点的法向加速度的时间历程如图4所示。从图可知，变速箱箱体振动占主导地位的频率范围为1000 Hz-3000 Hz。

通过连续傅里叶变换解得到法向加速度频谱图，如图5所示。

由图5可知，变速箱顶部参考点处振动加速度在齿轮的啮合基本频率点附近出现了峰值，由此说明轮齿啮合频率对箱体振动产生了较大的影响，同时根据噪声与振动理论预测，将可能在峰值频率处出现噪声峰值[6]。

4 结语

（1）通过对变速箱整体进行频域分析，可发现应力基本集中在支撑铰链处，且振动通过支撑铰链与箱体的连接部分传递至箱体表面。

（2）箱体表面的Von Mises应力分布较为平均，同时箱体的法向加速度也相对集中，主要分布在主副传动轴的铰链支撑处以及车架对箱体的支撑处，主传动轴教练支撑处与副传动轴的铰链支撑处以及车架对箱体的支撑处的法向加速度方向相反。

参考文献

[1] 谢慧敏，卢剑伟，张笑，等.某MPV车型变速箱异常振动噪声识别分析[J].汽车工程学报，2016，6（3）：196-202.

[2] 韩珈琪.汽车变速箱振动噪声控制研究[J].城市建设理论研究（电子版），2016，（12）：944-944.

[3] 李建伟，朱鹏伟.变速箱振动对汽车噪声的影响分析[J].现代制造技术与装备，2016，（2）：63-63，65.

[4] 谢富科，张振华.变速箱振动对汽车噪声的影响初探[J].建筑工程技术与设计，2017，（17）：417-417.

[5] 刘慧，胡建中，汤永旸.浅谈汽车变速箱的振动与噪声测试[J].山东工业技术，2017，（9）：266.

[6] 马维金，吴文轩，王俊元，等.汽车变速箱振动噪声时频域分析[J].机械传动，2017，41（1）：96-99.