08_浙大_郭磊_基于AVL模拟软件包的变速箱振动噪声集成化仿真技术

基于A VL模拟软件包的变速箱振动噪声集成化仿真技术

郭磊，蓝军，余波

（浙江大学发动机振动噪声实验室，A VL AST，长安汽车研究院CAE所）摘要：分别采用Excite Designer、Tycon、Excite对某5挡手动变速箱进行了齿轮传动系动力学计算，在此基础上进行了变速箱壳体结构的振动噪声及强度仿真；讨论了Tycon齿轮传动分析中的咔嗒噪声（Gear Rattle）及呜呜噪声(Gear Whine)的特点，并阐述了Tycon联合Excite及外部边界元软件进行外声场仿真与强度仿真技术。

关键词：多体动力学；变速箱；齿轮传动系；振动噪声

0. 前言

计算机仿真技术已被证明在汽车产品研发及优化改进中发挥了巨大的作用，在开发成本和分析精度上都体现出明显的优势。随着汽车行业市场竞争的不断加强，各汽车公司的产品不仅需要占居市场份额，同时还应满足国家各项法规的要求以及消费者对汽车产品的相关品质要求。汽车及发动机结构振动噪声及舒适性（NVH特性）已成为评价动力机械产品品质的重要指标，A VL公司先进模拟产品线中为动力产品NVH特性仿真提供了一整套解决方案。

1. 动力总成技术规格及参数

（1）发动机

型式：水冷直列四冲程汽油机；

缸数：4缸；

缸径：86 mm ；

活塞行程：86 mm ；

标定工况：112 KW/6000 Rpm ；

最大扭矩点：192 Nm/4500 Rpm ；（2）变速箱型式：横置式手动5档；一档速比：15 ；

二档速比：8.5 ；

三档速比：5.6 ；

四档速比：4 ；

五档速比：3.3 ；

2. 变速箱振动噪声及强度分析计算流程

图1 变速箱结构振动噪声及强度仿真计算流程图

变速箱壳体作为主要的承载部件，内部齿轮系传动产生的轴承动态激励及壳体结构本身模态特性都对其NVH 特性产生影响；各个档位下齿轮传动系传递的扭矩大小将反映在各处轴承载荷上，可利用此轴承载荷进行强度指标的计算。图1中表示了采用A VL 结构仿真软件进行变速箱壳体振动响应及强度计算的流程图；

3. Excite Designer 计算曲轴系统扭转自由度响应

首先，根据A VL Excite Designer 建立活塞曲柄连杆系统运动学仿真模型，在活塞顶部施加不同转速下燃气爆发压力，活塞及连杆大小头质量须正确填入，曲轴及离合器系统分割为多惯量及各惯量间扭转刚度连接。Excite Designer 内部采用霍尔兹法进行曲轴系统扭转振动响应计算，可得到各个转速下曲轴飞轮离合器端的动态转速及其转速波动，从而为变速箱传

动仿真提供激励输入条件。

图2 Excite Designer 计算曲轴系统运动学模型

图3 转速范围内离合器从动盘转速波动及其频谱

由图3可见，曲轴扭转振动响应计算得到转速范围(1500-6000rpm)内离合器从动盘动态转速波动，此发动机为四缸四冲程汽油机，在高转速6000rpm 及低转速1500rpm 附近波动量较大，转速波动在各转速下主要发生在2谐次，4、6谐次次之，该曲轴系经过有限元计算发现其一阶扭转固频在300Hz 以上，2谐次转速波动对曲轴扭转振动影响甚微，同时第4、

第6谐次转速波动幅值明显较低。采用Excite Designer 计算成本较低，同时计算精度满足工程要求。

4. A VL Tycon 变速箱齿轮传动系动力学仿真

Tycon 是A VL 先进模拟软件中专门处理发动机正时传动系及动力传动系的专用模块，本文利用其进行变速箱内部齿轮传动系的动力学仿真。前述ExciteDesigner 计算得到曲轴离合器端的动态转速波动，为Tycon 计算齿轮传动系提供了动态转速激励；

图4 A VL Tycon 变速箱动力学仿真模型

图5 本啮合齿对时变啮合刚度

变速箱齿轮系振动噪声分为 Rattle ）和齿轮呜呜噪声（Gear Whin 两类：齿轮咔嗒噪声（Gear e ）；在某档位下变速箱内齿轮传动系实际工作时，上档齿轮啮合对之间传递扭矩，齿轮啮合呈现节圆冲击状态，承载齿轮啮合对时变啮合刚度及受载齿发生弹性变形将形成一系列窄带冲击，同时齿轮盘偏心还会造成节圆冲击的边频调制现象。由于时变啮合刚度对啮合冲击造成显著影响，文中采用外部软件计算的时变啮合刚度送入Tycon 中进行啮合齿对的计算，以输入轴2档与副轴二档齿轮为例，时变啮合刚度如图5所示，由于使用了斜齿，啮合刚度的变化对直齿要小。

图6 二档下各承载传动齿轮转速波动

在2档发动机全负荷条件下进行各个转速下动力学仿真，如图6所示发动机5500rpm 齿轮在时变啮图7 输入轴2齿轮&副轴2齿轮2档下动态啮合轴向力 Order23

Order46

Order69 Order92

时各承载传动齿轮转速波动，各传动齿轮转速未见明显的拍频共振情况；输入轴2档齿轮转速波动在时域曲线趋势上与离合器输入端动态激励基本一致，但在发动机4、6阶次上变大，主要由于受重载扭矩及时变啮合刚度的影响；副轴2档、输入轴4档齿轮转速波动明显稍小于输入轴2档齿轮，由于输入轴4档齿轮只是作为2档下副轴到中间轴传动的惰轮，因此中间轴4档齿轮转速波动趋势与副轴2档齿轮相似，由于各传动齿轮背隙的影响导致中间轴4档齿轮在4阶上幅值较大。主减速齿轮自身惯量较大同时驱动前轮，在大惯量的拖动下其转速波动明显较小。

Tycon 计算承载合刚度下动态啮合力，此变速箱传动齿轮均为斜齿轮传动，在增加重叠度时也产生啮合轴向力，增加了轴承轴向负荷及摩擦损失。图7为发动机5500rpm 下输入轴2齿轮与副轴2齿轮承载啮合对（齿数比：23:45）的轴向啮合力的频谱图；可见第23及其谐频92谐次在4000rpm 有较强啮合冲击，5000rpm 以上，第23谐次及其各阶谐频的啮合力都增加，高频冲击增强。