２７７ 柬工案技术 理论研究 汽车变速箱的振动分析与优化设计研究 苏 星 （呼和浩特职业学院 呼和浩特０１００５１） 摘要：汽车齿轮变速箱对于汽车正常行驶来说十分重要，其是汽车正常行驶过程中不可或缺的变速传动设备。汽车变速箱在运行过程中出现 振动会对汽车正常行驶的安全性产生负面影响。现文章就汽车变速箱的振动情况开展研究，同时针对汽车变速箱的振动情况提出相应的优化与 改善。 关键词：汽车变速箱；振动分析；优化设计 ＤＯＴ：１０．１６６４０／ｊ．ｃｎｋｉ．３７—１２２２／ｔ．２０１５．２２．２４４ 汽车变速箱的出现振动不单单会对汽车的正常运行产生不良影 车可以灵活自由的调整速度。例如，在高速公路的时候需要行驶 响，同时还会导致驾驶员在驾驶过程中分心，无法专注驾驶。长时 到１００ｋｍ／ｈ，在人流车流较多的市区车速可以根据实际情况在 间在充满振动与噪音的外部情况下驾驶汽车，会使得驾驶员情绪波 ３０—５０ｋｍ／ｈ的范围内变动。在汽车行驶过程中不仅仅需要前进， 动烦躁，难以集中注意力，进而导致驾驶失误，严重出现安全事故。 而且还有需要倒车的时候 】。倒车就是汽车倒退行驶，而齿轮变 因此，对汽车变速箱进行振动分析与优化设计对于提升汽车使用性 能，减少交通事故有着重要的作用。 速箱中的这一功能就是可以实现汽车倒退行驶。中断传输动力也 是汽车存行驶过程中需要实现的功能之一。当汽车发动机已经启 １ 汽车齿轮变速箱的分类与结构 １．１ 汽车齿轮变速箱的分类 动，汽车换挡或者需要停车的时候，可以利用变速箱来中断汽车 驱动轮的动机输送。如果在离合器已经接合的情况下，变速箱能 够实现动力不输出。在实际的驾驶过中就是发动机在运转的时候， 驾驶员可以松开离合器，空档离开驾驶座位 ｌ。 汽车齿轮变速箱以使用方式来进行分类可以将其分为三种： （１）强制操纵式。该方式是一种应用的相对更加广泛的换挡方法。 驾驶员在驾驶汽车的时候要换挡是直接手握变速箱的操纵杆来换挡。 这种方式是依靠人力手动进行； ２汽车齿轮变速箱的基本结构 ２．１变速传动机构 （２）半自动操纵式。半自动操纵式换挡也分为两种不同的方式。 一汽车变速传动机构的元件由齿轮、轴系等。其工作原理为变速 即为两轴式与三轴式。两轴式就是通过一对齿轮进行变速的情况， 而三轴式就是通过两队齿轮进行变速的情况。 变速操纵机构的元件包括同步器、换档操纵机构等，其主要供 就在于控制汽车的传动机构，来改变汽车变速器的传动比 ０。同步 是在固定的档位中开展自动操作，但是不是固定档位需要挂档就 箱调整传动系的转速来获取传动比。一般来说传动方案分为两种， 要驾驶员手动操作 。二是一种预选是半自动操作方式。汽车内部 利用电子装置先将需要使用的档位预设好，自动式操作变速箱的传 踏加油门与刹车的时候电子系统就可以执行换挡操作； （３）自动式操纵变速箱。该方式是全自动的，汽车变速箱的传 动比是自动形成的。在这一情况下，驾驶员仅仅只要在驾驶室内踩 ２．２变速操纵机构 动比是不需要人工操作的。驾驶员在驾驶室内仅仅只要踩踏油门或 器元件包括同步锁环、滑块等部分。当前同步器的工作方式有两种， 刹车就可以自由对车速进行控制。汽车齿轮变速箱以齿轮组转动的 分别为惯性式与惯性增力式。这两种工作模式都是利用摩擦来进行 结构方案来进行分类其可以分为以下三种： １）两轴式。两轴式即为汽车变速箱内只有两轴，该两轴分别 为输入轴与输出轴； ２）三轴式。三轴式是相对于两轴式来说，增加了一个轴。汽 车变速箱内除了有输入轴、输出轴外还有中间轴。其输入轴与输出 同步。在进行设计的过程中，两种摩擦的元件锁止角与锥面已经经 过了相应的选择。利用锥面形成的摩擦作用，等待啮合的齿轮与齿 圈就会快速的实现同步，并且在达到锁止的效果。这一功能的实现 可以预防齿轮在尚未同步的时候发生啮合。 换档操纵机构的元件由换档拨叉轴以及拨叉等。以变速操纵所 轴是在同一根线上的。综合来看，三轴式的传动效率要明显高于两 在位置的差异，换档操纵结构可以分为两种类型，分别是直接操纵 轴式。三轴式变速箱所采用的是多对齿轮同时传动，其传动比要明 显大于两轴式，并且能够直接变档，所以三轴式的传动效率要比两 轴式的要高 。 １．２汽车齿轮变速箱的功能 在汽车里汽车齿轮变速箱的作用是用来调整变化传动比的。 调整变化传动比可以实现多种功能。例如，倒车、停车、空挡等。 调整变化汽车的传动比可以让汽车行驶在路面上的时候面对不同 式以及远距离操纵式。 （１）直接操纵式。直接操纵式就是指能够实现直接换档的变速 箱与驾驶员座位十分靠近，驾驶员可以直接对该设备进行操作实现 换档； （２）远距离操纵式。远距离操纵式换档就是换档设备与驾驶员 的距离较远，无法直接换档，所以在其中间加设了传动杆件，进而 实现远距离的操纵。这两种方式对比来说，各有其适合的车辆与车 路况的时候来调整自身的牵引力。这样就可以让汽车发动机的作 辆特点。直接操纵式换档比较建议，操纵起来更加便捷，大部分的 用得到最大程度的发挥，还可以符合驾驶员对速度的需求。汽车 小轿车与长头货车都比较适合。而远距离操纵的刚性更强，并且要 行驶过程中由于路面、环境等各种因素的不同，需要汽车驱动扭 求各个元件之间的连接缝隙要尽可能的小，以保证在换档的时候有 矩和行驶速度可以在限定的范围内调整改变，从而来满足不同环 境下的驾驶需求。并且汽车发动机的转速变化范围不大，所以其 转矩变化过小难以符合实际驾驶过重的环境需求。相对发动机来 说，汽车的变速箱就拥有更大范围的调整空间。汽车齿轮变速箱 明显手感，轿车与轻型汽车上比较适合使用这一方式 。 ３汽车变速箱振动分析 ３．１ 齿轮系统振动原理 齿轮系统的动态激励可以将其包括内部与外部激励两种。 可以在更大范围内调整扭矩与行驶速度。在不同的行驶需求下汽 理 研究 柬工案技术 ２７８ 图１ 汽车变速器传动系统振动的传递路径 （１）外部激励。发动机的主动力矩以及负载的阻力与阻力矩； （２）内部激励，可以分为刚度激励、误差激励以及啮合冲击 激励。正时齿轮啮合冲击是齿轮形成噪音的主要因素。啮合中的 齿轮可以被当做是一个板簧，其在交变荷载作用下弹性变形并且 由于齿轮的各种误差会造成附加的冲击载荷，使得齿轮产生圆周 振动，形成齿轮上的动载荷。这种动载荷通过轴、轴承传递到壳 体上，进而导致壳体的振动。图１即为基础变速器传动系统振动 的传递路径。 ３．２汽车变速箱体的振动 汽车变速箱齿轮轮齿的啮合是会跟着时间而出现动态改变的。 因此，齿轮转动可以看作时间变化的动态系统。齿轮转动是一个多 对的转动系统。齿轮与轴、轴与轴承之间都是相互装配的关系 。 因此，变速箱可以被看做是一个相互耦合的实时动态系统。从激励 的角度来看，啮合齿轮同时具有径向与切向啮合力。综合来看，当 汽车变速箱发生振动的时候并不是一个单纯的问题，但是一个多轴、 多转向、多级的动态振动问题。所以，要对汽车变速箱的振动进行 探究就要兼顾齿轮传动的各项因素。 ３．３汽车齿轮变速箱建模 本次研究结构图使用的是ＭＡＳＴＡ软件进行仿真建模。 ３．３．１轴的建模 在ＭＡＳＴＡ软件中进行轴的建模有标准轴与异性轴可以供选择。 标准轴是结构对称的，异形轴是结构不对称的。一般情况下，标准 轴在ＭＡＳＴＡ软件中核心功能中可以实现。而建立异形轴则要使用 ＭＡＳＴＡ软件中的结构柔性模块来进行。本次研究的汽车齿轮变速箱 的三根轴均为标准轴，因此可以直接建立。首先建立光轴，然后在 光轴的基础上添加各种要素，包括内孔、台阶面等；然后，建立定 义轴的沟槽、设计表面粗糙度等细节，在选择轴的材方面可以直接 从ＭＡＳＴＡ软件数据库中选择现成的材料 。 ３．３．２齿轮的建模 在ＭＡＳＴＡ软件中，试论建模是通过参数的设置来进行的，相 关数据包括齿数、螺旋角、压力角、中心距等关键数据，当输入关 键数据后齿轮的二维与三维模型就能够自行生成。关于齿轮的材料 选择方面与轴材料的选择方式相同，即为直接选择默认材料。齿轮 副的建模与上述建模方式相同。 ３．３．３轴承的建模 轴承是一种标准件，在ＭＡＳＴＡ软件的轴承数据库中包括各种 累积的轴承。例如ＳＫＦ、ＮＳＫ等。通常来说，可以从数据库中直接 选择相对应的轴承，即可以实现自动生成。如遇到特殊情况可以通 过设置轴承的基本参数来添加新轴承，基本参数包括内外径、宽度、 滚子参数等。 ３．３．４同步器的建模 要对同步器进行建模首先要建立同步器的支架周与同步器相撇 和的齿轮支架轴。支架轴与轴之间采用的是花间连接，齿轮支架轴 使用的是滚针轴承连接。在同步器建模后，软件会自动形成简单模型。 对属性的数据进行修改可以白定义同步器的结构参数。 ３．３．５壳体的导入 在ＭＡＳＴＡ软件中壳体的刚度接近无穷大，显然这一状态与现 实情况是必然不同的。由于要获得更加准确的计算结果，就要适当 的考虑壳体的实际刚度。在ＭＡＳＴＡ软件中的结构柔性模块可以将 壳体的实际模型导入进去，然后对其刚度进行选择与调整，进而实 现考虑到其刚度的情况，开展各种仿真分析。 ３．４宏观参数优化 要实现汽车传动系统功能的提升就要关注传动系统的承载能力 以及总体尺寸的比值。这是提升传统系统能力的关键。在ＭＡＳＴＡ 软件中，要对齿轮进行优化处理需要始终保持齿轮副中心距、宽度、 精度都保持不变的基础上开展的。如果需要对该参与进行调整可以 在ＭＡＳＴＡ软件中进行快捷的挑调整。基于这一前提，强度、优化 强度就是需要关注的提升要素。 ４结束语 伴随着人们生活水平的提升，人们对于行驶车辆乘坐的舒适性 提出了更高的需求。对汽车变速箱进行振动分析与优化设计对于提 升汽车使用性能，减少交通事故有着重要的作用 贾少汽车变速箱 振动，降低其噪音成为了汽车制造行业的重要课题。汽车制造企业 要对汽车变速箱进行充分的重视，并且在技术不断成熟的基础上实 现优化。 参考文献： ［１】王中伟．叉车软连接变速箱与硬连接变速箱的振动测试分析对 比［Ｊ］．叉车技术，２０１４（０４）：２５—２６． ［２】Ｙｕａ１２ ｔｔ．Ｇｕａ ｒｌ，Ｔｅｉ ｋ Ｃ．ＬｉＩｌｌ，Ｗ．Ｓｔ ｅｖｅ Ｓｈｅ Ｄａ ｒｄ． Ｅｘｐｅ ｒｉｍｅｎｔａ１ Ｓｔｕｄｙ Ｏｉｌ ａｃｔｉｖｅ ｖｉｂｒａｔｉＯｎ ｃＯｉｌｔ ｒｏ１ ｏｆ ａ ｇｅａ ｒｂＯＸ ｓＹ ｓｔ ｅｍ［Ｊ］．Ｊ ＯＵ ｒ１１ａ１ Ｏｆ ＳＯＵｎｄ ａｎｄ Ｖｉ ｂ ｒ ａｔｉ Ｏｎ． ２００ ５，２８２（３－５）：７１ ３－７ ３３． ［３］丁习坤，孙文磊．大型风电机组传动系统动力学仿真分析［Ｊ］． 机床与液压，２０１１．３９（０３）：９２—９ ３． ［４］梁醒培，王豪，张锴锋．大型齿轮箱结构分析与结构优化［Ｊ］． 机械设计与制造，２００８（０１）：３卜３ ３． ［５］Ｖ．Ｒａｍａｍｕｒｔｉ，Ｐ．Ｇａｕｔａｍ，Ａ．Ｋｏｔｈａ ｒｉ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅ ｓｉ ｇｎ Ｏｆ ａ ｔＷＯ—ｓｔ ａ ｇｅ Ｇｅａ ｒ ｂｏｘ［Ｊ】．Ａｄｖａ ｒｉｏｅ ｓ ｉ ｒｌ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｒｉ ｒｌｇ Ｓｏｌｔｗａｒｅ，１ ９９７，２８（０１）：７ ３－８２． ［６］朱才朝，徐向阳，王海霞等．大功率船用齿轮箱结构优化［Ｊ］． 重庆大学学报，２００８，３１（１１）： １ ２２１—１２２５． ［７］ＰＡＣＬＯＴＪ Ｐ，ＶＥＬＥＸＰ．Ｓｉｍｕ１ａｔ ｉＯｉｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ０ｆ Ｓｉｎｇ１ ｅ ａｎｄ ｍｌｌＩｔｉ ｓｔ ａ ｇｅ ｇｅａ ｒｅｄ ｓＹ ｓｔ ｅｍ ｓ ｗｉｔｈ Ｓｈａｐｅ ｄｅｖｉａｔｉＯＩｌＳ ａｎｄ ｌｌｌｏｕｎｔｉｎｇ ｅｒｒｏｔ ｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｍｅｔｈｏｄ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，１ ９９８，２２０（０５）：８６１—９０ ３． ［８］Ｒ．Ｋ．Ｃａｒ ｒｏｌ １，Ｇ．Ｂ．Ｊｏｈｎ ｓＯｉｌ．０ｐｔｉｍａ１ Ｄｅ ｓｉ ｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｇｅａｒ Ｓｅｔ Ｓ［Ｊ］．ＡＳＭＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉ ｓｍｓ Ｔｒａｎｓｍｉ ｓ ｓｉｏｉｌｓ ａｎｄ ＡｕｔｏｍａｔｉＯｎ ｉｎ Ｄｅ Ｓｉｇｎ．１ ９８４—１ ７４ ０． 作者简介：苏军（１９８ ０一），男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士研究生 中级讲师，工程师，研究方向：车辆工程