張星輝

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西　大同　037005）

引言

汽車變速箱是汽車的重要組成部分，變速箱如果出了問題，汽車整體功能肯定會受到很大的影響，所以在變速箱設計上，從技術設計、理論計算再到試驗檢驗，都需要下大功夫去保證變速箱在汽車上運轉(zhuǎn)良好，大同齒輪公司設計的一款輕卡變速箱，殼體經(jīng)過有限元靜力學計算和靜扭試驗檢驗都沒有問題，但是在市場上出現(xiàn)了多起殼體開裂的故障，極大地影響了大同齒輪公司的聲譽，這說明靜力學計算和靜扭試驗已經(jīng)不能滿足對殼體客觀檢驗。

變速器總體上是一個彈性系統(tǒng)，它在外力的作用下必然會產(chǎn)生振動，作為整車的關鍵零部件，了解其工作模態(tài)下的振動特性對整車性能的優(yōu)化具有重要的意義。大同齒輪公司項目組和高校合作，以試驗測試為手段，通過對數(shù)據(jù)進行分析的方法，著重從振動方面研究變速箱損壞的原因[1-2]。

1　測試儀器和測試布點

測試試驗采用DASP INV3020-CPCI高性能數(shù)據(jù)測試分析儀、三向加速度傳感器、INV9211型聲強傳感器、ICP麥克風、信號線等儀器設備，測試系統(tǒng)組成如圖1所示。對大同齒輪公司一款壓鑄鋁殼體的變速箱進行車載工作模態(tài)分析。

測試試驗在大同齒輪公司附近典型路況下進行，測試對象為發(fā)動機與成品齒輪箱之總成。

其中，10個加速度測點（包括參考點）中一個（57號加速度計）布置在前箱頂部，兩個布置（55號和56號加速度傳感器）在后箱左側(cè)，參考點（F6號加速度傳感器）布置在中箱頂部，其余六個（58號—63號加速度傳感器）布置在車架上，數(shù)據(jù)采樣頻率為10.24 kHz；濾波方式為低通3 900 Hz。實驗路況以碎石路面、上坡路面以及障礙路面為主，車輛載荷情況載重2 t[3-4]。

圖1　測試系統(tǒng)組成圖

2　實驗數(shù)據(jù)處理及分析結(jié)果

2.1　振動加速度信號時域、頻域分析

本文將重點分析振動加速度信號。分析手段采用時域和頻域三維功率譜密度分析方法。

其中時域分析信號中，橫坐標為采樣時間，縱坐標為加速度值大小。本次測試主要研究對象為變速箱的振動響應情況。

通過觀察加速度信號的時域波形，發(fā)現(xiàn)55號測點X向加速度信號，56號測點X向加速度信號和57號測點Z向加速度信號在載重2 t工況下振動幅值相對較大，故以下對此三路信號的時域和頻域分析結(jié)果進行詳細的描述。

2.1.1振動加速信號時域分析

55號測點X向加速度信號、56號測點X向加速度信號及57號測點Z向加速度信號的時域波形如圖2—圖6所示（10 240個采樣點的采樣時間為1 s）。

2.1.2振動加速信號頻域分析

圖2　載重2 t前進路況55號測點X向原始信號波形

加速度信號的頻域分析采用三維PSD瀑布圖顯示。分析方法是，按一定長度，將時間信號分成若干個切片，對每個切片計算其PSD，將所有PSD按切片順序顯示成三維瀑布圖。55號水平方向、56號水平方向和57號軸向方向的PSD三維瀑布圖如圖7—圖9所示。

綜合分析，各重點測點的功率譜密度最大幅值對應的頻率如表1所示。

從表1的結(jié)果我們可以清晰地看出，水平方向的振動能量頻率帶主要集中在580～620 Hz之間，而軸向方向的頻率帶為710 Hz左右。變速箱上左側(cè)55號測點水平方向和56號測點水平方向的振動能量頻率主要集中在580～630 Hz之間，而57號測點軸向方向振動能量主要集中在700 Hz左右，頻率要略高于水平方向的振動能量頻率。57號測點軸向方向?qū)哪芰款l率為2 470 Hz，與其余測點頻率相差過大，且為高階頻率，外界激勵不易激發(fā)，故舍去[5-6]。

圖3　載重2 t前進路況56號測點X向原始信號波形

圖4　載重2 t前進路況57號測點X向原始信號波形

圖5　載重2 t前進57號測點Y向原始信號時域圖

圖6　載重2 t前進路況57號測點Z向原始信號波形

圖7　載重2 t 55號測點軸向方向三維瀑布圖

圖8　載重2 t 56號測點軸向方向三維瀑布圖

圖9　載重2 t 57號測點軸向方向三維瀑布圖

表1　前進狀態(tài)下，重點測點三維功率譜密度最大幅值以及對應的頻率匯總表

2.1.3變速箱的約束模態(tài)

由于變速箱的約束模態(tài)更接近于實際情況，故我們對變速箱在車載狀態(tài)下進行了變速箱的錘擊實驗模態(tài)分析，獲知變速箱在有效分析頻帶（0～2 kHz）內(nèi)箱體的各階模態(tài)參數(shù)。車載狀態(tài)下錘擊模態(tài)測試系統(tǒng)簡圖如下頁圖10所示。錘擊約束模態(tài)分析結(jié)果如下頁表2所示。

圖10　車載狀態(tài)下錘擊模態(tài)測試系統(tǒng)簡圖

表2　錘擊約束模態(tài)分析結(jié)果

2.2　結(jié)論

55號水平方向的頻率為284 Hz，通過與變速箱約束模態(tài)頻率對比，介于箱體第三階模態(tài)（約束模態(tài)頻率249 Hz）和第四階模態(tài)（約束模態(tài)頻率322.713 Hz），而水平方向主要的頻帶分布580～630 Hz恰好同樣覆蓋變速箱第五階模態(tài)頻率（模態(tài)頻率589.8 Hz），軸向方向測點對應的頻率為740 Hz，與變速箱第六階模態(tài)（模態(tài)頻率700.388 Hz）接近。

3　結(jié)語

基本可以判定變速箱殼體損壞的原因為振動，后期需要優(yōu)化變速箱和整車的連接，讓整車振動能量頻率避開變速箱自身的約束模態(tài)頻率，大同齒輪公司以后在設計變速箱時，進行靜力學分析和靜扭試驗是不足以支持變速箱殼體強度的，必要的時候需要進一步進行動力學測試分析。

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[5]黃勇.電動公交車變速器殼體的強度分析與拓撲優(yōu)化設計[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2014.

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