張興

摘 要：為探究變速箱內(nèi)齒輪在空載時(shí)的拍擊歷程，從而降低齒輪的拍擊噪聲，優(yōu)化整車的NVH。根據(jù)實(shí)際工況，在ADAMS軟件中，建立變速箱齒輪的柔體動(dòng)力學(xué)拍擊模型，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)扭振與負(fù)載的模擬，通過對(duì)模型進(jìn)行仿真，分析主從動(dòng)齒輪在穩(wěn)態(tài)時(shí)的角速度以及嚙合力關(guān)系。分析了齒輪在受到發(fā)動(dòng)機(jī)扭振激勵(lì)下的拍擊過程。通過頻域分析可知，齒輪產(chǎn)生拍擊是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振頻率及其倍頻所產(chǎn)生。對(duì)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化齒輪的角加速度激勵(lì)，降低了齒輪的拍擊力，減小了拍擊噪聲。

關(guān)鍵詞：齒輪；柔體；ADAMS；動(dòng)力學(xué)；拍擊

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0063-02

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)整車NVH的要求也日漸提高，由發(fā)動(dòng)機(jī)扭振而產(chǎn)生的變速箱齒輪空載拍擊噪聲也愈發(fā)受到關(guān)注。由于齒輪傳動(dòng)涉及到嚙合剛度，齒側(cè)間隙等多重非線性問題，難以利用公式進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)。本文利用ADAMS建立變速箱齒輪系統(tǒng)的柔體動(dòng)力學(xué)模型，模擬齒輪在受到發(fā)動(dòng)機(jī)扭振激勵(lì)下的拍擊過程，在時(shí)域和頻域下分析拍擊形成的原因，并通過優(yōu)化，提出降低齒輪拍擊噪聲的方法[1-2]。

1 齒輪拍擊動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 齒輪柔體模型的建立

在ANSYS軟件中根據(jù)模態(tài)疊加原理，建立某型號(hào)變速箱四擋齒輪的模態(tài)中性文件，具體的齒輪技術(shù)參數(shù)如表1所示，材料參數(shù)如表2所示。

在ADAMS中，建立該齒輪的柔體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。在齒輪體心剛性節(jié)點(diǎn)位置處設(shè)置旋轉(zhuǎn)副；同時(shí)在齒輪間添加了柔體接觸。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭振與負(fù)載的模擬

變速箱內(nèi)齒輪空載時(shí)產(chǎn)生拍擊主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振造成的[3]。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)一般為輸出轉(zhuǎn)矩的十分之一左右，通過扭轉(zhuǎn)減震器、飛輪、離合器，轉(zhuǎn)速波動(dòng)通常控制在轉(zhuǎn)速的2%～5%。

在ADAMS中，首先模擬加速工況，設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)在2秒內(nèi)轉(zhuǎn)速從1500上升到2000的工況。添加轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)函數(shù)：4*step（time，0，1，2，1.33）*sin（step（time，0，18000d，2，24000d）*time）+step（time，0，9000d，2，12000d）。

軸承滑動(dòng)阻力和齒輪攪油阻力為系統(tǒng)的主要負(fù)載，可以通過在轉(zhuǎn)動(dòng)副上設(shè)置摩擦系數(shù)來進(jìn)行模擬齒輪的運(yùn)行阻力。通常若系統(tǒng)具有良好的潤(rùn)滑條件，軸承的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)設(shè)為0.05，靜態(tài)摩擦系數(shù)設(shè)為0.08。

2 齒輪的拍擊原理分析

通過對(duì)模型進(jìn)行仿真，分析主、從動(dòng)齒輪在穩(wěn)態(tài)時(shí)的角速度以及嚙合力關(guān)系。

分析齒輪波動(dòng)的一個(gè)周期，首先主動(dòng)齒輪開始加速，因慣性作用，從動(dòng)齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（因?yàn)闀r(shí)間比較短，此時(shí)不考慮阻力），當(dāng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)過齒隙角度后，與從動(dòng)齒輪發(fā)生碰撞，從而帶動(dòng)從動(dòng)齒輪使其開始加速；此后，主動(dòng)齒輪速度降低，同樣因?yàn)閼T性，從動(dòng)齒輪開始勻速轉(zhuǎn)過齒隙角度，然后與主動(dòng)齒輪發(fā)生碰撞。

在頻域分析中，研究從動(dòng)齒輪角速度波動(dòng)的組成成分，首先將從動(dòng)齒輪的角速度曲線整體向下平移13058，使穩(wěn)態(tài)角速度波動(dòng)在0附近，以消除平均角速度的影響。對(duì)從動(dòng)齒輪在2～3s間的角速度進(jìn)行FFT變換。結(jié)果可知從動(dòng)角速度的波動(dòng)在66Hz處出現(xiàn)最大值，達(dá)210deg/sec，該頻率為齒輪軸頻的2倍，即驅(qū)動(dòng)函數(shù)的激勵(lì)頻率。而在199Hz，333Hz，467Hz，600Hz，733Hz，866Hz，1000Hz，1133Hz，1266Hz等處出現(xiàn)了極大值，這些頻率對(duì)應(yīng)著激勵(lì)頻率的倍頻。由此可見，驅(qū)動(dòng)函數(shù)的激勵(lì)頻率及倍頻組成了從動(dòng)齒輪角速度波動(dòng)變化，所以來自發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振激勵(lì)是造成齒輪發(fā)生空載拍擊的主要原因。

3 拍擊力的優(yōu)化

根據(jù)齒輪的拍擊動(dòng)力學(xué)理論，通過減小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和降低原動(dòng)機(jī)構(gòu)的角加速度激勵(lì)則可通過優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)、材料和加強(qiáng)離合器的減震能力達(dá)到。

3.1 優(yōu)化齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

使用鈦合金代替原材料可以明顯降低齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在ANSYS軟件中，設(shè)置原齒輪鈦合金密度4500kg/m3，重新建立模態(tài)中性文件，并按原模型參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的建立與仿真。

3.2 優(yōu)化齒輪的角加速度激勵(lì)

降低齒輪的角加速度激勵(lì)可通過優(yōu)化離合器的減震能力達(dá)到。通過修改單位時(shí)間內(nèi)主動(dòng)齒輪角速度的波動(dòng)幅值，可以對(duì)齒輪的角加速度變化規(guī)律進(jìn)行模擬。將齒輪的角速度波動(dòng)縮減為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的2%，添加激勵(lì)函數(shù)：2*step（time，0，1，2，1.33）*sin（step（time，0，18000d，2，24000d）*time）+step（time，0，9000d，2，12000d），其余參數(shù)按原模型參數(shù)進(jìn)行仿真。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

切向力是齒輪產(chǎn)生拍擊噪聲的主要分力，對(duì)比齒輪在原始狀態(tài)下，優(yōu)化角速度后，優(yōu)化轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后的切向力如圖2所示。

由圖2及表3可知，通過對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度激勵(lì)的優(yōu)化，齒輪的拍擊力有較為顯著的下降，降幅分別達(dá)到45.2%和42.1%，由此可以判斷，對(duì)齒輪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)以及優(yōu)化扭振波動(dòng)，可以降低齒輪的拍擊噪聲。

4 結(jié)束語

本文利用ADAMS軟件平臺(tái)，建立變速箱四檔齒輪的柔體動(dòng)力學(xué)模型，模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振波動(dòng)，對(duì)齒輪進(jìn)行了空載拍擊仿真。根據(jù)齒輪的角速度與拍擊力，闡述了齒輪在轉(zhuǎn)速波動(dòng)下的拍擊歷程，并通過頻域分析，可知產(chǎn)生齒輪拍擊噪聲的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振頻率及其倍頻造成。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，降低齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度，齒輪的切向拍擊力分別降低了45.2%和42.1%，由此可以判斷，齒輪的拍擊噪聲得到了改善。

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