变速箱振动与噪声分析

    0 引 言

    变速箱主要经齿轮啮合达到变速、增加扭矩的作用，齿轮系经轴承安置在壳体上。实验证明，齿轮、轴承、壳体是变速箱振动和噪声的主要来源[1]。分析变速箱的振动和噪声的产生机理，应该首先着重分析齿轮、轴承、箱体的振动。

    1 变速箱振动和噪声现象及初步分析

    讨论的变速箱是我公司设计的一款大扭矩多挡位变速箱，它由主箱、副箱两段式结构组成、性能优越，但在试验时发现了异常的振动和噪声；对其原因进行分析，发现有些齿轮啮合频率的倍频与壳体约束模态频率相近时，在测试振动和噪声信号功率谱中相同频率处出现峰值，引起变速箱的异常振动和噪声。

    2 振动和噪声现象的发生原因详细分析

    2.1 变速箱中齿轮啮合频率计算

    1）定轴系中，齿轮的啮合频率为[2]:

    式中：Z为齿轮齿数；i为频率的谐波，i=1，2，3…。

    对于有固定齿圈的行星轮系，其啮合频率为：

    式中:Zr为任一参考齿轮的齿数；nr为参考齿轮的转速(r/min)；nc为转臂的回转速度(r/min)，方向相反时，取正号；i为频率的谐波，i =1，2，3…。

    由式（1）与式（2）可知，齿轮副中的两个齿轮的啮合频率是相同的。当齿轮的转速变化时，啮合频率也随之而变，并且随着转速的升高，齿轮噪声增大。这是判断齿轮啮合频率的两个基本原则。再者，齿轮的啮合频率往往呈二次、三次等高次谐波出现在频谱中。齿轮噪声随转速增加而增加，但不是线性关系；转速越高，噪声随转速升高而上升的越缓慢。

    2）齿轮编号表：本实验变速箱中各档齿轮编号见图1。

    3）齿轮啮合频率计算：根据式（1）及（2），按图1齿轮编号算得齿轮的啮合频率，见表1。由于6档、7档、8档、9档、10档时，各齿轮的啮合频率除外，其余均与1档、2档、3档、4档、5档对应相同。

    2.2 变速箱壳体的有限元分析

   1）建立数学模型：对变速箱壳体，建立三维数学模型，并划分网格，见图2。

    2）变速箱壳体的模态分析：应用租用的OptiStruct软件，在箱体离合器壳止口面附加零位移约束，计算其模拟试验状态的箱体约束模态，它的前8阶模态频率见表2。

    2.3试验测得的振动与噪声信号频谱分析

    在变速箱上布置4个测点，对12个挡的4个加速度信号，分别计算功率谱的均值，共得12个均值图，见图3。