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                        某汽車變速器斜齒輪傳動系統性能

                        添加時間:2019/05/18 來源:合肥工業大學 作者:郭偉
                        本文以國內某企業的一款汽車變速器為研究對象,針對該款變速器齒輪傳動系統,綜合運用齒輪系統動力學、振動力學和數值分析方法等知識,以該變速器某檔位單對斜齒輪系統為研究對象,重點研究齒輪“振-沖”特性,即其拍擊動力學特性。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          在機械傳動中,齒輪系統是一種重要的傳動系統,隨著科技的不斷發展和機械工業水平的提高,各種各樣工程中廣泛使用齒輪傳動,在汽車工業中,齒輪是汽車變速器的重要零部件之一,齒輪副的平穩嚙合傳動直接影響到變速器以及整車的各項性能指標。變速器各檔位斜齒輪拍擊碰撞會使變速器產生“咔嗒”噪聲。

                          汽車變速器齒輪傳動系統的拍擊特性是影響動力總成 NVH 性能的重要原因之一,加強對齒輪系統的拍擊動力學行為的研究,是改善變速器傳動系統性能的重要途徑,進而對降低變速器各檔位齒輪拍擊噪聲,改善整車 NVH 性能具有積極意義。

                          本文圍繞國內某汽車企業的一款汽車變速器系統,以某檔位單對斜齒輪傳動系統為研究對象,以齒輪系統動力學理論為基礎,建立了多自由度斜齒輪拍擊動力學模型,分別使用有限元方法和 Runge-Kutta 數值方法求解,研究了系統固有特性和拍擊特性,分別研究了齒輪自身結構參數和變速器系統激勵參數對變速器斜齒輪拍擊狀態、拍擊頻率和拍擊強度的影響。本文研究內容主要包括:

                         。1)在齒輪系統動力學和齒輪嚙合原理的理論基礎上,分析了齒輪拍擊動力學產生機理,對影響齒輪拍擊的系統動態激勵的產生機理進行闡述,對齒輪嚙合剛度進行傅立葉變換和數值模擬;對齒輪嚙合誤差進行了闡述,并數值曲線模擬。

                         。2)具體分析了幾種不同的齒輪動力學模型建模方法和模型類型。在對比研究基礎上,選擇集中質量法,建立了彎-扭-軸的齒輪拍擊動力學模型,并根據模型,推出拍擊動力學微分方程組。為簡化數值計算,對方程進行量綱歸一化處理。

                         。3)分別使用有限元方法和 MATLAB 數值方法對斜齒輪系統的固有特性進行分析,分別通過 MATLAB 求解和 ANSYS 模態分析獲得了系統的固有頻率和振型,通過對比求解結果,說明了理論模型的可行性。

                         。4)通過 MATLAB/Simulink 搭建非線性拍擊動力學方程組的求解模型,并使用龍格-庫塔算法進行求解;研究了齒輪副時變嚙合剛度、輪齒齒側間隙、嚙合阻尼、齒輪副嚙合傳遞誤差和輸入扭矩對單對斜齒輪拍擊狀態、拍擊頻率和拍擊強度的影響規律。并對一系列參數的選取提出合理化的建議。

                          本文研究結果表明:(1)適當增加齒輪副嚙合阻尼比可在一定程度上減小拍擊噪聲;(2)降低齒輪副時變嚙合剛度幅值對控制斜齒輪拍擊現象具有積極意義;(3)扭矩波動由小變大時,齒輪拍擊現象依次為:無拍擊、單面拍擊和雙面拍擊;(4)齒輪嚙合傳遞誤差變化對齒輪拍擊變化基本沒影響。(5)變速器拍擊主要表現為扭轉方向拍擊。

                          關鍵詞:拍擊動力學;輪齒間隙;時變嚙合剛度;非線性耦合;拍擊強度

                        ABSTRACT

                          Gear transmission system is a vital part of mechanical transmission system. With the scientific and technological development and the improvement of machinery industry, gear drive is more widely used in engineering application. In automobile industry, gear driving paly a key role in automobile transmission system. The smooth meshing of gear pair directly affects the performance of the automobile. Vehicle transmission gears rattling characteristics is one of the significant reasons which can influence the NVH properties of the vehicle powertrain. Reinforcing the behavior research of gear rattling dynamic of transmission gear system is an important approach to improve the perfor-mance of vehicle transmission system, then controlling the gear rattling noise of transmission is important to polish up the vehicle NVH performance.

                          In this paper, based on the gear system dynamics theory, helical gear transmitssion system was studied and a more realistic bend-torsion-axes multi degree of freedom gear rattling system model was established. The finite element method and numerical method were used to analyze the inherent characteristics and dynamic response of the gear system, analyzing the influence of structure and system excitation parameter of transmission helical gears on the state and the frequency and the strength of rattling in order to improve automobile transmission gears rattling noise. The main contents of this paper are as follows:

                          (1) Based on the gear system dynamics theory and principle of gear meshing, the gear rattling dynamic was analyzed, and the system dynamic excitations affecting the gear rattling were expounded. Fourier series method was used to numerically simulate the time-varying stiffness of meshing; Two types of gear errors were analyzed and were numerical simulated.

                          (2) Each of different kinds of dynamic models methods and models were researched.On the basis of comparative study, lump parameter method was used to establish the bend-torsion-axes nonlinear rattling dynamic model. The rattling dynamic differential equations were established on the basis of the gear dynamic model.The differential equations were dimensionless in order to simplify the numericalcalculation.

                          (3) The inherent characteristics of helical gear system were analyzed by Using the finite element method and the MATALB numerical method, and the natural frequency and vibration model of the dynamic system were obtained, indicating the theoretical vibration model is correct.

                          (4) The MATLAB/Simulink was available to solve the nonlinear rattling differential equations.The Runge-Kutta numerical method was used to solve equations. This paper analyzes the influence rules on the state and the frequency and intension of the single pair of gears rattling that was caused via some factors, for example gear mesh damping, gear backlash, gear meshing error, gear time-varying meshing stiffness. On the basis of the study, rational proposals were proposed to choose a series of parameter values.

                          The results of this paper show that: (1) larger gear meshing damping can improve the gear rattling noise on a certain extent. (2) The amplitude of the time-varying mesh stiffness is reduced which is positive to control helical gear rattling phenomenon. (3) When the torque flucation coefficient become from small to large, the dynamic rattling phenomenon in turn is: no rattling, single rattling and double ratttling.(4) The change of gear meshing error may influence the gear rattling a little(.5)The major direction of gear rattling is reverse rattling.

                          KEYWORDS: Rattling dynamic; Backlash; Time-varying meshing stiffness; Nonlin- ear coupling;Rattling strength;

                          由于科技的不斷發展,機械產品和設備朝著以下方向發展:高速、高精、輕量化以及自動化。這就導致機械產品的結構越來越復雜,因此對其工作時性能也越來越備受關注。由于齒輪傳動具有平穩的傳動速度、恒定的傳動功率等優勢,因此,其在工業領域廣泛應用。傳統的齒輪設計方法中,更多的考慮靜態問題,而忽略其動態性能,很少進行動態設計。齒輪傳動過程中產生的振動是造成機械產品的振動與噪聲的主要原因之一。尤其在汽車變速器齒輪系統中,評價其性能的兩大重要指標為:振動和噪聲。因此,齒輪系統動力學問題一直是近百年來,廣受人們關注的問題。在研究齒輪強度、精度、壽命、可靠性的基礎上、對其振動、沖擊和噪聲進行進一步研究。

                          齒輪系統是一個多彈性連續系統,主要包含:主動輪、從動輪、傳動軸、軸承、齒輪箱、飛輪等。和常見的機械系統動力學問題一樣,激勵、系統和響應之間的聯系關系是齒輪系統動力學的本質與核心問題。即從系統動態輸入激勵、齒輪設計和系統響應三個層次分析齒輪系統產生振動和噪聲的機理、性質、特點和影響因素。分析理論、分析模型和分析方法三部分組成了齒輪動力學的主要理論框架。其中,振動力學是進行齒輪系統分析的基礎,研究其在嚙合剛度、傳遞誤差和嚙合沖擊等激勵下的齒輪嚙合動力學行為。并在此基礎上,齒輪系統動力學由線性動力學向非線性領域進一步深入。在非線性理論方法的基礎上,著重研究了以下三個非線性因數:時變嚙合剛度、齒側間隙及輪齒嚙合誤差。因此,整個系統也是一個非線性系統。

                          由于在動力傳動過程中潤滑的存在,并且齒輪在制造、加工和裝配等環節中必然會產生誤差,以及滾動軸承等零部件安裝間隙的存在,導致嚙合輪齒間不可避免的存在間隙。齒輪系統間隙非線性動力學的研究,就是以具有齒側間隙的齒輪系統為對象,在“振-沖”模型基礎上,對其動態特性進行分析。由于實際研究中,輪齒間隙為強非線性項,其振動特性顯示為非線性形式。因此齒輪系統的間隙研究屬于非線性范疇[1]。

                          變速器系統是整個汽車動力總成的關鍵部位之一,其性能的優劣直接影響到整車的各種性能。變速器中齒輪傳動的拍擊行為對于汽車傳動系統的性能有著明顯的影響。除了汽車發動機振動噪聲,變速器齒輪拍擊噪聲也是影響汽車動力總成 NVH 性能的重要因素之一,隨著消費者和乘客對汽車舒適性和 NVH 性能要求的提高,不斷降低油耗的技術要求,越來越嚴格的環境指標和尾氣排放要求,使得變速器噪聲問題變得越來越突出[2]。

                          汽車變速器噪聲主要分為:齒輪受載時的嘯叫噪聲、空套拍擊噪聲、變速器自身結構噪聲、同步器結合噪聲和軸承噪聲。由于齒輪空套拍擊噪聲屬于寬頻率瞬態噪聲,人耳對其發生的躍遷變化很敏感[3],駕駛員和汽車維修人員常常誤判為發動機故障噪聲,因此不利于駕駛員集中注意力,危害行車安全,同時不利于維修人員排除故障。因此,分析汽車變速器齒輪拍擊產生機理和研究其拍擊特性對分析變速器齒輪傳動時的拍擊噪聲以及提高整車的 NVH 性能意義比較大。

                          本文將針對汽車變速器中齒輪傳動系統的參數特點,對某檔位斜齒輪傳動系統進行拍擊動力學建模,綜合考慮動態激勵因素,引入齒輪副齒側間隙,時變嚙合剛度、齒輪傳遞誤差和輸入扭矩波動等非線性因素,對該車企的雙離合變速器斜齒輪系統拍擊狀態和拍擊頻率、拍擊強度進行研究,主要研究齒輪結構參數和一系列非線性因素對嚙合拍擊噪聲的影響。研究分析變速器齒輪在嚙合傳動過程中的拍擊行為對指導變速器的設計、分析優化和減振降噪及齒輪系統強度可靠性分析意義重大。

                          齒輪系統動力學的研究最早開始于 1920 年—1930 年左右,當時對高速運轉的輪齒動載荷進行預先估計主要是通過理論分析和實驗兩個方法。到了 20 世紀70 年代,齒輪動力學分析模型在不斷的研究中得到進一步的完善和發展,由最簡單的單自由度的一維動載荷系數模型發展到考慮扭轉方向振動位移的扭轉振動模型,進一步發展成為多個部件和多個自由度相互關聯的耦合模型,最終完善為復雜程度最高的同時包含傳動部分和支承結構部分的齒輪系統耦合模型[4]。

                          從分析理論角度,齒輪系統動力學的研究基礎由最初的沖擊理論逐步發展為振動理論基礎。20 世紀 50 年代以前,在研究齒輪系統時,通常將其簡化為單自由度系統,以嚙合沖擊原理為理論基礎,研究齒輪系統動態激勵和動態響應,用單自由度系統在沖擊作用下的動態響應來反映動力學行為。50 年代以后,隨著振動學科的發展,在研究齒輪系統時,使用彈性的機械振動系統模型來描述齒輪系統,研究了齒輪系統在齒輪嚙合誤差、嚙合沖擊和嚙合剛度等因素影響下,系統的動態響應,初步形成了現代齒輪系統動力學理論。同時,由于時變嚙合剛度、齒側間隙等影響因素具有非線性特性,齒輪系統動力學研究逐步由傳統的線性振動理論框架發展到非線性振動領域。在分析系統方面,齒輪系統動力學研究由最初單自由度系統發展為多自由度復雜系統,研究對象從簡單單對齒輪副變成同時包含齒輪副、齒輪軸、齒輪箱體和支承結構的耦合系統。在分析方法方面,為了從多個方面研究齒輪系統的動態特性,利用時域曲線分析或進行傅里葉變換進行頻域分析,同時也可以通過搭建實驗臺架,通過實驗數據分析;或使用數值方法分析系統的響應[1]。

                          國外在齒輪系統動力學以及齒輪系統的動態設計這一領域的研究非;钴S,在美國和歐洲一些發達工業國家,齒輪系統動力學的研究一直是其結構設計領域的熱點以及重要發展方向之一。Kahraman 等人[5]采取集中參數法建立了簡單的一維單自由度系統動力學模型,建立微分方程組,并主要研究了在輪齒間隙這一非線性因素影響下,單純考慮齒輪扭轉振動時,系統非線性動態響應。在前期的研究基礎上 Kahraman 等[6]又建立了多自由度齒輪系統動力學模型,研究在時變嚙合剛度、軸承間隙等因素影響下,齒輪系統的非線性動態特性。Tangasawi[7]建立了變速器齒輪拍擊動力學模型,研究其怠速工況下的拍擊特性。與前人研究不同的是,Tangasawi 并沒有將主、從動輪等效為集中質量,而是分別進行建模,同時還研究了齒輪油阻尼對拍擊特性的影響規律。Rocca 等[8]學者在研究變速器齒輪拍擊動力學時,考慮了齒間潤滑油擠壓效應的影響,研究了齒側間隙的周期波動、齒輪嚙合誤差和齒輪嚙合潤滑對變速器拍擊動力學的影響規律。Walha 等[9-10]建立了二級齒輪傳動系統拍擊動力學模型,并著重研究了齒側間隙對其系統動態特性的影響。Yongjun Shen[11]建立了含有多個自由度的齒輪系統非線性動力學模型,使用諧波平衡法對動力學微分方程進行求解,分別研究系統的單階頻率和多階頻率,并對比其差別。Lassaad 等[12]以二級齒輪傳動為研究對象,建立其拍擊動力學模型,研究在時變嚙合剛度和齒側間隙影響下,該二級齒輪傳動嚙合過程中非線性拍擊動力學特性,作者將非線性問題簡化為線性問題,并對其進行數值求解。

                          Howard 等[13]運用有限單元分析法計算輪齒嚙合剛度,研究了齒面摩擦力對齒輪系統動態特性影響。Al-shyyab 等[14]建立二級齒輪傳動系統動力學方程,運用諧波平衡法和傅立葉變換對其進行求解,研究了該系統的周期運動和簡諧運動特性。

                          Gang Liu 等[15]建立了二級直齒圓柱齒輪動力學模型,利用多尺度法、增量諧波平衡法和數值方法研究該動力學模型在參數激勵、嚙合松動以及不同嚙合頻率等因素影響下,系統的動態響應和不同嚙合頻率之間的周期關系。

                          由于臺架實驗能夠提供良好的低噪聲測試環境,因此除了通過理論的方法來研究變速器齒輪動力學拍擊特性,國外眾多研究機構和研究學者還通過實驗的渠道來研究變速器齒輪的拍擊特性,驗證理論研究的正確。Fudala 等[16]在考慮了發動機扭矩波動、離合器特性和發動機轉動慣量等因素情況下,通過實驗研究變速器齒輪動力學的拍擊特性,并在此實驗基礎上設計出優化方案,對動力總成系統進行了結構和系統的優化,改善了離合器的性能,改善了拍擊特性,降低了汽車噪聲。然而,Fudala 更多的是從工程實驗角度去研究拍擊噪聲,在理論機理上的研究并不是很深入。

                        某汽車變速器斜齒輪傳動系統性能:

                        齒輪傳動系統前八階固有頻率
                        齒輪傳動系統前八階固有頻率

                        前八階齒輪系統模態振型
                        前八階齒輪系統模態振型

                        斜齒輪 x 方向系統無量綱相對位移圖
                        斜齒輪 x 方向系統無量綱相對位移圖

                        斜齒輪 y 方向系統無量綱相對位移圖
                        斜齒輪 y 方向系統無量綱相對位移圖

                        斜齒輪 z 方向系統無量綱相對位移圖
                        斜齒輪 z 方向系統無量綱相對位移圖

                        目 錄

                          第一章 緒論
                            1.1 研究背景及意義
                            1.2 齒輪傳動系統拍擊動力學問題國內外研究現狀
                              1.2.1 齒輪系統拍擊動力學的國外研究現狀
                              1.2.2 齒輪系統拍擊動力學的國內研究現狀
                            1.3 本文主要工作內容與研究路線
                          第二章 齒輪系統拍擊振動機理和動態激勵研究
                            2.1 引言
                            2.2 變速器拍擊噪聲產生條件
                              2.2.1 拍擊產生原理
                              2.2.2 拍擊門檻值判定
                            2.3 齒輪系統嚙合動態激勵研究
                              2.3.1 齒輪副嚙合剛度激勵
                              2.3.2 齒輪誤差激勵
                              2.3.3 嚙合沖擊激勵
                              2.3.4 齒輪系統的外部激勵
                            2.4 本章小結
                          第三章 變速器齒輪系統拍擊動力學模型建立
                            3.1 引言
                            3.2 動力學離散化理論分析模型建模方法
                            3.3 典型的齒輪系統動力學模型介紹
                            3.4 變速器單對斜齒輪拍擊動力學耦合模型建立
                              3.4.1 斜齒輪運動方程
                              3.4.2 彎-扭-軸耦合非線性分析模型
                            3.5 斜齒輪動力學模型中主要參數說明
                              3.5.1 一檔斜齒輪副參數介紹
                              3.5.2 齒輪副嚙合剛度建模計算與數值模擬
                              3.5.3 齒輪副嚙合誤差參數值計算與數值模擬
                              3.5.4 斜齒輪副輪齒嚙合阻尼計算
                              3.5.5 單對斜齒輪副等效質量計算
                              3.5.6 齒輪副固有頻率計算
                              3.5.7 齒輪副轉動慣量計算
                            3.6 動力學方程無量綱化處理
                            3.7 本章小結
                          第四章 齒輪系統模態特性研究
                            4.1 引言
                            4.2 系統固有特性數值計算
                              4.2.1 理論分析基礎
                              4.2.2 固有頻率數值計算
                            4.3 齒輪系統有限元模態分析
                            4.4 分析結果對比
                            4.5 本章小節
                          第五章 齒輪系統非線性拍擊動態特性分析
                            5.1 引言
                            5.2 動力學方程求解方法
                              5.2.1 數值方法 Runge-Kutta 法
                              5.2.2 齒輪動力學系統響應結果分析
                            5.3 不同參數對斜齒輪拍擊動力學特性的影響與研究
                              5.3.1 齒輪齒側側隙對拍擊特性影響
                              5.3.2 齒輪嚙合傳遞誤差對拍擊特性影響
                              5.3.3 齒輪嚙合阻尼對拍擊特性影響
                              5.3.4 時變嚙合剛度幅值變化對拍擊特性影響
                              5.3.5 輸入扭矩波動系數對拍擊特性影響
                            5.4 本章小結
                          第六章 總結與展望
                            6.1 全文總結
                            6.2 工作不足與展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士學位期間的學術活動及成果情況

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