汽車變速箱的振動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘 要：汽車齒輪變速箱對(duì)于汽車正常行駛來(lái)說(shuō)十分重要，其是汽車正常行駛過(guò)程中不可或缺的變速傳動(dòng)設(shè)備。汽車變速箱在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)會(huì)對(duì)汽車正常行駛的安全性產(chǎn)生負(fù)面影響?，F(xiàn)文章就汽車變速箱的振動(dòng)情況開展研究，同時(shí)針對(duì)汽車變速箱的振動(dòng)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(dòng)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

汽車變速箱的出現(xiàn)振動(dòng)不單單會(huì)對(duì)汽車的正常運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致駕駛員在駕駛過(guò)程中分心，無(wú)法專注駕駛。長(zhǎng)時(shí)間在充滿振動(dòng)與噪音的外部情況下駕駛汽車，會(huì)使得駕駛員情緒波動(dòng)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(duì)汽車變速箱進(jìn)行振動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)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(lái)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(duì)更加廣泛的換擋方法。駕駛員在駕駛汽車的時(shí)候要換擋是直接手握變速箱的操縱桿來(lái)?yè)Q擋。這種方式是依靠人力手動(dòng)進(jìn)行；

（2）半自動(dòng)操縱式。半自動(dòng)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(dòng)操作，但是不是固定檔位需要掛檔就要駕駛員手動(dòng)操作[1]。二是一種預(yù)選是半自動(dòng)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(dòng)式操作變速箱的傳動(dòng)比是自動(dòng)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(shí)候電子系統(tǒng)就可以執(zhí)行換擋操作；

（3）自動(dòng)式操縱變速箱。該方式是全自動(dòng)的，汽車變速箱的傳動(dòng)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(duì)車速進(jìn)行控制。汽車齒輪變速箱以齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)方案來(lái)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(duì)于兩軸式來(lái)說(shuō)，增加了一個(gè)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(lái)看，三軸式的傳動(dòng)效率要明顯高于兩軸式。三軸式變速箱所采用的是多對(duì)齒輪同時(shí)傳動(dòng)，其傳動(dòng)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(dòng)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(lái)調(diào)整變化傳動(dòng)比的。調(diào)整變化傳動(dòng)比可以實(shí)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(dòng)比可以讓汽車行駛在路面上的時(shí)候面對(duì)不同路況的時(shí)候來(lái)調(diào)整自身的牽引力。這樣就可以讓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的作用得到最大程度的發(fā)揮，還可以符合駕駛員對(duì)速度的需求。汽車行駛過(guò)程中由于路面、環(huán)境等各種因素的不同，需要汽車驅(qū)動(dòng)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(lái)滿足不同環(huán)境下的駕駛需求。并且汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍不大，所以其轉(zhuǎn)矩變化過(guò)小難以符合實(shí)際駕駛過(guò)重的環(huán)境需求。相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)際情況在30-50km/h的范圍內(nèi)變動(dòng)。在汽車行駛過(guò)程中不僅僅需要前進(jìn)，而且還有需要倒車的時(shí)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(shí)現(xiàn)汽車倒退行駛。中斷傳輸動(dòng)力也是汽車在行駛過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)的功能之一。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，汽車換擋或者需要停車的時(shí)候，可以利用變速箱來(lái)中斷汽車驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)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(dòng)力不輸出。在實(shí)際的駕駛過(guò)中就是發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)

汽車變速傳動(dòng)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(dòng)系的轉(zhuǎn)速來(lái)獲取傳動(dòng)比。一般來(lái)說(shuō)傳動(dòng)方案分為兩種，即為兩軸式與三軸式。兩軸式就是通過(guò)一對(duì)齒輪進(jìn)行變速的情況，而三軸式就是通過(guò)兩隊(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)，來(lái)改變汽車變速器的傳動(dòng)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(lái)進(jìn)行同步。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，兩種摩擦的元件鎖止角與錐面已經(jīng)經(jīng)過(guò)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(huì)快速的實(shí)現(xiàn)同步，并且在達(dá)到鎖止的效果。這一功能的實(shí)現(xiàn)可以預(yù)防齒輪在尚未同步的時(shí)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(duì)該設(shè)備進(jìn)行操作實(shí)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(wú)法直接換檔，所以在其中間加設(shè)了傳動(dòng)桿件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操縱。這兩種方式對(duì)比來(lái)說(shuō)，各有其適合的車輛與車輛特點(diǎn)。直接操縱式換檔比較建議，操縱起來(lái)更加便捷，大部分的小轎車與長(zhǎng)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(gè)元件之間的連接縫隙要盡可能的小，以保證在換檔的時(shí)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(dòng)分析

3.1 齒輪系統(tǒng)振動(dòng)原理

齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)可以將其包括內(nèi)部與外部激勵(lì)兩種。

（1）外部激勵(lì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)力矩以及負(fù)載的阻力與阻力矩；

（2）內(nèi)部激勵(lì)，可以分為剛度激勵(lì)、誤差激勵(lì)以及嚙合沖擊激勵(lì)。正時(shí)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(gè)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(huì)造成附加的沖擊載荷，使得齒輪產(chǎn)生圓周振動(dòng)，形成齒輪上的動(dòng)載荷。這種動(dòng)載荷通過(guò)軸、軸承傳遞到殼體上，進(jìn)而導(dǎo)致殼體的振動(dòng)。圖1即為基礎(chǔ)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的傳遞路徑。

3.2 汽車變速箱體的振動(dòng)

汽車變速箱齒輪輪齒的嚙合是會(huì)跟著時(shí)間而出現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變的。因此，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以看作時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)是一個(gè)多對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)相互耦合的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。從激勵(lì)的角度來(lái)看，嚙合齒輪同時(shí)具有徑向與切向嚙合力。綜合來(lái)看，當(dāng)汽車變速箱發(fā)生振動(dòng)的時(shí)候并不是一個(gè)單純的問(wèn)題，但是一個(gè)多軸、多轉(zhuǎn)向、多級(jí)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)問(wèn)題。所以，要對(duì)汽車變速箱的振動(dòng)進(jìn)行探究就要兼顧齒輪傳動(dòng)的各項(xiàng)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(duì)稱的，異形軸是結(jié)構(gòu)不對(duì)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(shí)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(lái)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(tái)階面等；然后，建立定義軸的溝槽、設(shè)計(jì)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(kù)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(guò)參數(shù)的設(shè)置來(lái)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(kù)中包括各種累積的軸承。例如SKF、NSK等。通常來(lái)說(shuō)，可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中直接選擇相對(duì)應(yīng)的軸承，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成。如遇到特殊情況可以通過(guò)設(shè)置軸承的基本參數(shù)來(lái)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(duì)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(huì)自動(dòng)形成簡(jiǎn)單模型。對(duì)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(wú)窮大，顯然這一狀態(tài)與現(xiàn)實(shí)情況是必然不同的。由于要獲得更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，就要適當(dāng)?shù)目紤]殼體的實(shí)際剛度。在MASTA軟件中的結(jié)構(gòu)柔性模塊可以將殼體的實(shí)際模型導(dǎo)入進(jìn)去，然后對(duì)其剛度進(jìn)行選擇與調(diào)整，進(jìn)而實(shí)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(shí)現(xiàn)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)功能的提升就要關(guān)注傳動(dòng)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(duì)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(duì)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?；谶@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(yǔ)

伴隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)于行駛車輛乘坐的舒適性提出了更高的需求。對(duì)汽車變速箱進(jìn)行振動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)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(dòng)，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(duì)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

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