汽車變速器齒輪軸的模態(tài)特性分析

吳智慧 姜洪遠(yuǎn)

摘 要：變速器是汽車傳動系統(tǒng)的一個重要組成部分，它分為手動變速器和自動變速器，輸入軸與發(fā)動機(jī)相連，輸出軸與傳動軸相連，承受車輛在各種復(fù)雜工況下的載荷和振動。變速器內(nèi)部零部件的振動會產(chǎn)生一定的噪聲，通過介質(zhì)傳播出去，另外內(nèi)部零件產(chǎn)生共振時會使零件產(chǎn)生疲勞破壞，因此研究變速器齒輪軸的模態(tài)顯得尤為重要，是變速器零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和噪聲控制的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變速器；模態(tài)；振動

中圖分類號：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-39-02

Abstract： The transmission is an important part of the automobile transmission system， it can be divided into manual transmission and automatic transmission， the input shaft connected to the engine， output shaft connected to the drive shaft， withstand a load of vehicle under various complex conditions and vibration. Transmission of the internal parts will produce a certain amount of noise， vibration spread through the medium， the other internal components resonate worsened fatigue damage parts， so the mode of transmission gear shaft is particularly important，it is the basis of the transmission parts structure design and noise control.

Keywords： transmission； modal； vibration

CLC NO.： U467.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-39-02

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變速器的型號越來越多，可以適應(yīng)不同車輛的行駛，變速器安全可靠的工作，是整個車輛正常行駛的基礎(chǔ)。變速器需實現(xiàn)快速換擋和不同檔位齒輪的嚙合，就必須具有良好的動態(tài)特性，而變速器的第一齒輪軸為動力輸入的軸，在變速器零部件中占據(jù)重要位置，研究其模態(tài)有著至關(guān)重要的意義，可以減少變速器的噪聲和避免齒輪嚙合產(chǎn)生共振。本文運用了Pro/E軟件研究了手動變速器第一齒輪軸的動態(tài)特性，并對該固有特性進(jìn)行了分析。

1 變速器齒輪軸模態(tài)分析基礎(chǔ)

齒輪機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性包括固有特性、動態(tài)響應(yīng)、動力穩(wěn)定性等，其中固有特性是指結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。齒輪軸在交變載荷下，會產(chǎn)生軸向振動、徑向振動和圓周振動，這些振動產(chǎn)生噪聲并通過媒介傳播出去。齒輪的嚙合頻率和固有頻率存在整數(shù)倍關(guān)系，會發(fā)生共振。

齒輪軸的嚙合頻率由下面公式計算：

f=n·z/60

公式中，n表示齒輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min；z表示齒輪齒數(shù)。

發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速在0～4200r/min范圍內(nèi)變化，齒輪軸的嚙合頻率在0～1400Hz間變化。

2 變速器齒輪軸模態(tài)分析過程

采用Pro/E軟件建立齒輪軸的三維模型，進(jìn)入模態(tài)分析模塊，對模型進(jìn)行材料的定義，網(wǎng)格的劃分，約束條件的建立，最后求解得到齒輪軸的前六階振動頻率。并通過前六階頻率與發(fā)動機(jī)的基頻進(jìn)行對比，齒輪嚙合頻率的對比，研究三者之間的關(guān)系，找出產(chǎn)生噪聲的原因，確定共振的區(qū)域，避免該區(qū)域，優(yōu)化變速器的結(jié)構(gòu)。

本手動變速器齒輪軸的材料為20CrMnTi，其密度為7.9g/cm?，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3，其模態(tài)分析結(jié)果如下表：

嚙合頻率與固有頻率互為整數(shù)倍關(guān)系，將發(fā)生共振，設(shè)計時要使嚙合頻率避開共振：基頻為777.275Hz。

當(dāng)嚙合頻率為基頻，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速2743.324r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/2時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1371.617 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/3時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速914.441 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/4時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速685.831 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/5時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速548.665 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/6時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速457.221 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/7時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速391.903 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/8時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速342.916 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/9時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速304.813 r/min；

當(dāng)嚙合頻率為基頻的1/10時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速274.332 r/min。

汽車從啟動到加速，齒輪的嚙合頻率會經(jīng)過與固有頻率相同或者互為整數(shù)倍的點，行駛時需避免在這些點附近停留，采取減震降噪措施。

3 結(jié)論

通過對變速器第一齒輪軸進(jìn)行模態(tài)分析，得到齒輪軸的前六階固有頻率，并探討了與齒輪嚙合頻率之間的關(guān)系，分析汽車從起動直到加速到最大速度過程中，齒輪的嚙合頻率與固有頻率相同或者互為整數(shù)倍，減少這些點的停留時間，避免齒輪發(fā)生共振和產(chǎn)生很大的噪聲。本文的研究為汽車在各檔行駛過程中，減小變速器噪聲方面提供了有效的理論依據(jù)。

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