變速箱齒輪拍擊柔體動力學分析與優化

張興

摘 要：為探究變速箱內齒輪在空載時的拍擊歷程，從而降低齒輪的拍擊噪聲，優化整車的NVH。根據實際工況，在ADAMS軟件中，建立變速箱齒輪的柔體動力學拍擊模型，完成了發動機扭振與負載的模擬，通過對模型進行仿真，分析主從動齒輪在穩態時的角速度以及嚙合力關系。分析了齒輪在受到發動機扭振激勵下的拍擊過程。通過頻域分析可知，齒輪產生拍擊是由于發動機的扭振頻率及其倍頻所產生。對齒輪的轉動慣量進行優化，同時優化齒輪的角加速度激勵，降低了齒輪的拍擊力，減小了拍擊噪聲。

關鍵詞：齒輪；柔體；ADAMS；動力學；拍擊

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0063-02

隨著汽車工業的發展，對整車NVH的要求也日漸提高，由發動機扭振而產生的變速箱齒輪空載拍擊噪聲也愈發受到關注。由于齒輪傳動涉及到嚙合剛度，齒側間隙等多重非線性問題，難以利用公式進行準確表達。本文利用ADAMS建立變速箱齒輪系統的柔體動力學模型，模擬齒輪在受到發動機扭振激勵下的拍擊過程，在時域和頻域下分析拍擊形成的原因，并通過優化，提出降低齒輪拍擊噪聲的方法[1-2]。

1 齒輪拍擊動力學模型的建立

1.1 齒輪柔體模型的建立

在ANSYS軟件中根據模態疊加原理，建立某型號變速箱四擋齒輪的模態中性文件，具體的齒輪技術參數如表1所示，材料參數如表2所示。

在ADAMS中，建立該齒輪的柔體動力學模型如圖1所示。在齒輪體心剛性節點位置處設置旋轉副；同時在齒輪間添加了柔體接觸。

1.2 發動機扭振與負載的模擬

變速箱內齒輪空載時產生拍擊主要是由于發動機的扭振造成的[3]。四缸發動機的轉矩波動一般為輸出轉矩的十分之一左右，通過扭轉減震器、飛輪、離合器，轉速波動通常控制在轉速的2%～5%。

在ADAMS中，首先模擬加速工況，設定為發動機在2秒內轉速從1500上升到2000的工況。添加轉速驅動函數：4*step（time，0，1，2，1.33）*sin（step（time，0，18000d，2，24000d）*time）+step（time，0，9000d，2，12000d）。

軸承滑動阻力和齒輪攪油阻力為系統的主要負載，可以通過在轉動副上設置摩擦系數來進行模擬齒輪的運行阻力。通常若系統具有良好的潤滑條件，軸承的動態摩擦系數設為0.05，靜態摩擦系數設為0.08。

2 齒輪的拍擊原理分析

通過對模型進行仿真，分析主、從動齒輪在穩態時的角速度以及嚙合力關系。

分析齒輪波動的一個周期，首先主動齒輪開始加速，因慣性作用，從動齒輪勻速轉動（因為時間比較短，此時不考慮阻力），當主動齒輪轉過齒隙角度后，與從動齒輪發生碰撞，從而帶動從動齒輪使其開始加速；此后，主動齒輪速度降低，同樣因為慣性，從動齒輪開始勻速轉過齒隙角度，然后與主動齒輪發生碰撞。

在頻域分析中，研究從動齒輪角速度波動的組成成分，首先將從動齒輪的角速度曲線整體向下平移13058，使穩態角速度波動在0附近，以消除平均角速度的影響。對從動齒輪在2～3s間的角速度進行FFT變換。結果可知從動角速度的波動在66Hz處出現最大值，達210deg/sec，該頻率為齒輪軸頻的2倍，即驅動函數的激勵頻率。而在199Hz，333Hz，467Hz，600Hz，733Hz，866Hz，1000Hz，1133Hz，1266Hz等處出現了極大值，這些頻率對應著激勵頻率的倍頻。由此可見，驅動函數的激勵頻率及倍頻組成了從動齒輪角速度波動變化，所以來自發動機的扭振激勵是造成齒輪發生空載拍擊的主要原因。

3 拍擊力的優化

根據齒輪的拍擊動力學理論，通過減小齒輪的轉動慣量和降低原動機構的角加速度激勵則可通過優化齒輪結構、材料和加強離合器的減震能力達到。

3.1 優化齒輪的轉動慣量

使用鈦合金代替原材料可以明顯降低齒輪的轉動慣量。在ANSYS軟件中，設置原齒輪鈦合金密度4500kg/m3，重新建立模態中性文件，并按原模型參數進行動力學模型的建立與仿真。

3.2 優化齒輪的角加速度激勵

降低齒輪的角加速度激勵可通過優化離合器的減震能力達到。通過修改單位時間內主動齒輪角速度的波動幅值，可以對齒輪的角加速度變化規律進行模擬。將齒輪的角速度波動縮減為實時轉速的2%，添加激勵函數：2*step（time，0，1，2，1.33）*sin（step（time，0，18000d，2，24000d）*time）+step（time，0，9000d，2，12000d），其余參數按原模型參數進行仿真。

3.3 優化結果分析

切向力是齒輪產生拍擊噪聲的主要分力，對比齒輪在原始狀態下，優化角速度后，優化轉動慣量后的切向力如圖2所示。

由圖2及表3可知，通過對轉動慣量和角加速度激勵的優化，齒輪的拍擊力有較為顯著的下降，降幅分別達到45.2%和42.1%，由此可以判斷，對齒輪進行輕量化設計以及優化扭振波動，可以降低齒輪的拍擊噪聲。

4 結束語

本文利用ADAMS軟件平臺，建立變速箱四檔齒輪的柔體動力學模型，模擬了發動機的扭振波動，對齒輪進行了空載拍擊仿真。根據齒輪的角速度與拍擊力，闡述了齒輪在轉速波動下的拍擊歷程，并通過頻域分析，可知產生齒輪拍擊噪聲的主要原因是發動機的扭振頻率及其倍頻造成。對系統進行優化，降低齒輪轉動慣量和角加速度，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。

參考文獻：

[1]董海軍，沈允文，劉夢軍.齒輪系統Rattling動力學行為研究[J].機械工程學報，2004，40（1）：136-141.

[2]張鎖懷，沈允文，董海軍.齒輪拍擊系統的動力響應[J].振動工程學報，2003，16（1）：62-66.

[3]張靖.不同因素激勵下齒輪傳動動力學仿真及實驗研究[D].重慶大學，2012：21-2.

[4]繆油花，胡大鈞，閆春宇.基于ANSYS的齒輪彎曲應力、接觸應力以及模態分析[J].科技創新與應用，2014（14）：1-3.endprint