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1、南京航空航天大学硕士学位论文汽车变速器的传动与结构振动分析姓名：王明燕申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：翁建生20080101南京航空航天大学硕士学位论文I摘 要随着人们生活水平的提高，人们对于车辆乘坐舒适性提出了更高的要求，减振降噪也成为整个汽车行业的重要课题。汽车变速器是影响汽车各项性能的关键部件之一，其工作性能的好坏直接影响到汽车的各项性能指标。近年来由于变速器载荷和速度的提高及发动机振动特性的改善，变速器的结构振动问题也日益突出。本文主要研究内容：首先，研究了汽车变速器振动传递路径、振动原理，总结了汽车变速器振动分析的研究方法以及解决措施。用传递矩阵法建立了变速器传动系统扭转振
2、动方程，并建立了斜齿轮副扭转振动方程，分析了发动机激励频率与变速器固有频率的关系；其次，使用 CATIA 建立了汽车变速器的实体模型，包括汽车变速器箱体、轴系、齿轮、同步器等零部件，并用 ANSYS对箱体进行了模态分析。通过试验模态分析验证了有限元模型的正确性，为进一步的结构参数分析奠定了基础；最后，分析了箱体加强筋和厚度对整个箱体固有频率的影响。本文得到了齿轮传动系统和斜齿轮副的固有频率和振型及频响函数；找出了发动机激励力矩和变速器的共振点及对应的发动机转速；研究出箱体的结构参数（加强筋和厚度）对整个箱体固有频率的影响规律。为设计者设计动态性能良好的变速器提供了依据，对变速器与发动机的匹配具
3、有一定的参考意义。关键词：关键词：汽车变速器，振动，有限元法，模态分析，齿轮传动，箱体汽车变速器的传动与结构振动分析 II ABSTRACT With the improvement of peoples life, people have higher requirements for automobile comfort. So it is important to reduce automobiles vibration and noise. Transmission is one of the most important components, which directly infl
4、uences various automobiles performances. In recent years, with the increment of transmissions load and velocity and the improvement of engines vibration, structural vibration of transmission is becoming more and more prominent. My article mainly includes: Firstly, transmission vibration transfer pat
5、hs and vibration theory are researched, and methods to study automobile transmission vibration and their corresponding solutions are concluded. Transmission and bevel gears torsion vibration equations are established using transfer matrix method. The relationship between engines excited frequency an
6、d natural frequency are analyzed. Secondly, solid models are constructed using CATIA software, which includes gear boxes, axles, synchronizers etc. Modal analysis of gear boxes are conducted using ANSYS software, verified by modal test analysis which provides bases for further structural parameter a
7、nalysis. The effects of gear boxs strengthened plates and thickness on its solid frequency are analyzed. Transmission and bevel gears natural frequency, modal sharp and frequency response function are gained. Resonant points between engine and transmission and corresponding engine speeds are acquire
8、d. Some rules are gained based on study of the effects of gear boxs parameters on its whole solid frequency. It is useful for designer to design transmission and match engine. Key Words: Automobile Transmission, Vibration, Finite Element, Mode Analysis, Dynamic Analysis, Gear Box 汽车变速器的传动与结构振动分析 VI
9、图 表 图 2.1 齿轮内部激励6 图 2.2 汽车变速器传动系统振动的传递路径7 图 2.3 齿轮副扭转振动分析模型10 图 2.4 斜齿轮圆柱齿轮副弯扭耦合分析模型11 图 2.5 斜齿轮副的六阶振型图15 图 2.6 原点频响函数的幅频图.16 图 2.712H跨点频响函数的幅频图.16 图 2.813H 跨点频响函数的幅频图16 图 2.914H跨点频响函数的幅频图.16 图 2.1015H跨点频响函数的幅频图.16 图 2.1116H跨点频响函数的幅频图 .16 图 2.12 齿轮啮合刚度的变化对系统固有频率的影响17 图 2.13 螺旋角的变化17 图 2.14 质量单元18 图
10、2.15 圆盘质量元件19 图 2.16 线弹簧元件20 图 2.17 扭杆弹簧元件21 图 2.18 系统传递图22 图 2.19 分支系统计算图23 图 2.20 A 轴和 B 轴啮合齿轮间的扭矩关系.24 图 2.21 中间轴式变速器结构计算简图25 图 2.22 手动变速器的结构简图28 图 2.23 汽车变速器扭转振动计算简图29 图 2.24 考虑啮合刚度的扭转振动简图31 图 2.25 发动机的阶次谱32 图 2.26 发动机激励频率与转动系发生共振对应阶次及转速33 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 图 3.1 汽车变速器中间轴36 图 3.2 汽车变速器一、二轴装配模型3
11、6 图 3.3 汽车变速器倒档总成37 图 3.4 汽车变速箱装配模型37 图 3.5 ANSYS 模态分析求解步骤 .41 图 3.6 变速箱实体导入 ANSYS 中的模型.45 图 3.7 变速箱体的有限元模型45 图 3.8 变速箱体的前十阶振型47 图 4.1 单个变速箱模态试验现场50 图 4.2 整个变速箱体模态试验现场50 图 4.3 试验测试框52 图 4.4 模态试验装置图52 图 4.5 汽车变速箱体综合频响函数55 图 4.6 汽车变速箱体试验模态前 10 阶振型56 图 4.7 发动机激励频率与箱体发生共振对应阶次及转速58 图 4.8 钟型罩的厚度变化引起的整体固有频
12、率的变化59 图 4.9 后尾部分厚度变化引起的整体固有频率的变化59 图 4.10 箱体的加强筋变化引起的整个箱体的固有频率的变化.60 表 3.1 各个箱体的前十阶固有频率.42 表 3.2 整个箱体的前十阶模态45 表 4.1 试验仪器型号及用途52 表 4.2 试验模态分析结果.57 表 4.3 有限元与试验结果的比较57 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。
13、 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 汽车变速器振动研究的意义 汽车问世一百多年来，为人类进入现代生活，产生了巨大的影响。汽车变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其性能的好坏对汽车的动力性、经济性、操纵可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接的影响。 汽车变速器作为影响汽车性能的关键部件，其齿轮传动系统性能的好坏直接影响到汽车各项性
14、能指标。首先，变速器振动常常会诱发与其相连接部件的振动，影响整车的工作性能；此外，变速器载荷和速度的提高产生的齿轮噪声，比其它声源的噪声更突出。因此，从某种程度上说，降低了汽车变速器的振动，也就降低了变速器振动所引起的噪声，从而大大提高了汽车乘坐舒适性。 汽车变速器总成由齿轮、传动轴、同步器、箱体等零部件组成，它作为动力传动装置的主要部件之一，因其在制造和装配中存在误差并受载荷变化等因素的影响，在工作中将产生振动。汽车变速器总成是一个多自由度弹性振动系统，作用于这个系统的各种激励力就是使变速器产生复杂振动的动力源。引起各种激振力的因素可概括为两类：一是发动机运转时，工作冲程燃烧爆发压力和活塞往
15、复惯性力引起的简谐激振；二是变速器齿轮副啮合激励。如果这些激励力的激振频率和变速器传动部件或箱体其它零部件的某一固有频率相吻合时，就会产生共振，影响汽车的乘坐舒适性。因此，汽车变速器总成的动态设计要求变速器具有一定的固有频率和振型，保证变速器总成具有良好的动态特性。因此研究变速器各部件的动态振动特性、结构参数等是很有实际意义的1-4。 1.2 目前汽车变速器结构振动特性国内外研究状况 变速器振动产生的主要原因由齿轮的传动误差及换档冲击引起的，同时也有轴和轴承的弹性变形引起的振动。一对齿轮在啮合传动时，由于存在啮合间隙，因而产生啮合振动。除啮合振动以外，当一对轮齿进入啮合时，会产生频率较高的高次
16、谐波振动。当齿轮在换档时，由于换档冲击力也会引起变速器的振动。齿轮啮合有单级啮合和多级啮合，有单齿啮合和多齿啮合的情况。为了降低振动，我们可以从振动传递路径和齿轮的啮合力等方面考虑。 在国外，日本UmeZawa教授在对直齿轮动态特性、斜齿轮的三维变形刚度、汽车变速器的传动与结构振动分析 2 误差的影响等方面进行探讨之后，研究了斜齿轮传动副的振动问题5。1991年，日本学者Tsuta研究了斜齿轮传动的动态特性，并考虑了轴和轴承的刚度对系统动态特性的影响6。 Kahraman建立了斜齿轮副线性动力学模型， 着重分析了轴向振动对齿轮副动态特性的影响7。 国内在单自由度啮合齿轮副动态特性的研究方面，也做了大量的工作。西北工业大学的方宗德教授等研究了斜齿轮传动副的动态特性8。1992年，刘更教授分别研究了齿轮副各项参数对外啮合和内啮合斜齿轮传动系统振动特性的影响9。 近几年，2002年Grzegorz Litak等研究了轴是弹性时，齿轮副啮合的非线性振动问题，研究了对单自由度增加附加自
