楊亞楠 朱春華 靳 越

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引 言

變速器在實(shí)際工作中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲會(huì)嚴(yán)重影響整車的NVH(噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)性能,破壞駕駛員的駕乘體驗(yàn).為了解決這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外研究人員首先從振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理入手,進(jìn)行了大量卓有成效的研究,為后續(xù)尋求變速器減振降噪的具體措施奠定了基礎(chǔ).1958年,國(guó)外學(xué)者Harris,S.L對(duì)齒輪副的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行了研究,研究表明嚙合振動(dòng)是在輪齒剛度的非線性和時(shí)變性的作用下產(chǎn)生的,他率先提出與齒輪振動(dòng)噪聲密切相關(guān)的傳遞誤差概念[1-2];1997年,我國(guó)學(xué)者李潤(rùn)芳教授撰寫了專著《齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-振動(dòng)沖擊-噪聲》,闡述了齒輪振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生機(jī)理、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性等問(wèn)題[3];2010年,曾作欽等探究了齒輪的嚙合阻尼和嚙合剛度對(duì)齒輪振動(dòng)噪聲的影響[4];2012年,李進(jìn)超研究了在變速器內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)作用下變速器振動(dòng)噪聲的特性,探討其振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理[5];2022年,韓小偉等人針對(duì)雙離合自動(dòng)變速器在變檔過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲問(wèn)題展開分析研究[6];2023年,王福軍等人對(duì)因變速器齒輪傳遞誤差而引起的振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究 ,結(jié)果表明增加合理輪齒微觀修形參數(shù),可明顯減小變速器振動(dòng)響應(yīng)[7]。

1 變速器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及傳遞路徑

變速器是一種由多種零部件組成的復(fù)雜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),其振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的激勵(lì)源是多種多樣的[8],如圖1所示.總體來(lái)說(shuō),變速器的振動(dòng)噪聲激勵(lì)源可以分為外部激勵(lì)和內(nèi)部激勵(lì)兩大類.其中外部激勵(lì)主要由動(dòng)力源的扭矩及轉(zhuǎn)速波動(dòng)、連接動(dòng)力源與變速器的傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)特性、相關(guān)傳動(dòng)零部件的激勵(lì)特性(離合器的非線性、滾動(dòng)軸承剛度的時(shí)變性等)構(gòu)成;內(nèi)部激勵(lì)主要包括變速器的齒輪時(shí)變嚙合剛度激勵(lì)、嚙合誤差激勵(lì)以及嚙合沖擊激勵(lì).這些激勵(lì)會(huì)使變速器的嚙合齒輪副產(chǎn)生動(dòng)態(tài)嚙合力,使齒輪發(fā)生圓周扭轉(zhuǎn)振動(dòng),之后通過(guò)齒輪軸、軸承引起軸承孔的徑向及軸向振動(dòng),并進(jìn)一步導(dǎo)致變速器箱體的振動(dòng),整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲最終輻射到外界環(huán)境當(dāng)中.

圖1 變速器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生激勵(lì)源

2 變速器振動(dòng)噪聲激勵(lì)源分析

大量研究表明,輪齒嚙合時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部激勵(lì)對(duì)變速器總成振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的影響最大,且在原動(dòng)機(jī)的外部激勵(lì)恒定時(shí),此內(nèi)部動(dòng)態(tài)嚙合力也是始終存在且無(wú)法消除的,該內(nèi)部激勵(lì)也會(huì)使變速器的齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)[3].因此本文著重從齒輪系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)入手進(jìn)行變速器振動(dòng)噪聲激勵(lì)源的分析.

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2所示,通過(guò)構(gòu)建齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程并對(duì)其進(jìn)行近似變換,從而進(jìn)一步分析研究齒輪系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)激勵(lì),得到變速器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理.

圖2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型

對(duì)于所建立的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型,可用非線性動(dòng)力學(xué)方程表示為:

(1)

式中:

M——齒輪副等效質(zhì)量;

C——系統(tǒng)阻尼系數(shù);

K(t)——齒輪副的時(shí)變嚙合剛度(該剛度為齒軸剛度、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度、結(jié)合部剛度及齒輪嚙合的綜合);

xs——靜態(tài)相對(duì)位移向量;

x——?jiǎng)討B(tài)相對(duì)位移向量;

e(t)——齒輪綜合誤差(時(shí)間t的函數(shù));

Ps——靜態(tài)載荷.

上式(1)可以改寫為:

(2)

又,

(3)

針對(duì)上述的非線性動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)其進(jìn)行近似變換,可得到:

(4)

式中:

K(t)——齒輪嚙合剛度中的變剛度部分;

S(t)——嚙合沖擊激勵(lì)力.

上式4中,等式右邊為振動(dòng)的激勵(lì)力,其中ΔK(t)e(t)是嚙合剛度激勵(lì)與誤差激勵(lì)的綜合,S(t)表示嚙合沖擊激勵(lì).由此可以看出,齒輪系統(tǒng)在嚙合時(shí)所受到的綜合動(dòng)態(tài)力是由輪齒剛度激勵(lì)、誤差激勵(lì)、嚙合沖擊激勵(lì)所引起的,并會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)激勵(lì)反饋.

3 結(jié) 論

本文首先對(duì)變速器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及傳遞路徑進(jìn)行研究,然后通過(guò)構(gòu)建變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)變速器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生激勵(lì)源進(jìn)行分析,找到了齒輪時(shí)變嚙合剛度激勵(lì)、齒輪誤差激勵(lì)以及齒輪嚙入嚙出激勵(lì)等較為關(guān)鍵的內(nèi)部動(dòng)態(tài)激勵(lì),為后續(xù)變速器減振降噪措施的研究奠定了基礎(chǔ).