汽车变速箱的振动分析与优化设计研究
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参考文献： [1] 王中伟 . 叉车软连接变速箱与硬连接变速箱的振动测试分析对 比 [J]. 叉车技术 ,2014(04):25-26. [2]Yuan H. Guan, Teik C. Lim, W. Steve Shepard. Experimental study on active vibration control of a gearbox system[J].Journal of Sound and Vibration. 2005,282(3-5):713-733. [3] 丁习坤 , 孙文磊 . 大型风电机组传动系统动力学仿真分析 [J]. 机床与液压 ,2011,39(03)：92-93. [4结构优化 [J]. 机械设计与制造 ,2008(01):31-33. [5]V.Ramamurti,P.Gautam,puter-aided design of a two-stage Gearbox[J].Advances in Engineering Software,1997,28(01):73-82. [6] 朱才朝 , 徐向阳 , 王海霞等 . 大功率船用齿轮箱结构优化 [J]. 重庆大学学报 ,2008,31(11): 1221-1225. [7]PACLOTJ P, VELEXP. Simulation of the dynamic behaviour of Single and multistage geared systems with shape deviations and mounting errors by using a spectral method [J].Journal of Sound and Vibration,1998,220(05):861-903. [8]R.K.Carroll, G.E.Johnson.Optimal Design of Compact Gear Sets[J].ASME Journal of Mechanisms Transmissions and Automation in Design,1984-1740.
4 结束语
伴随着人们生活水平的提升，人们对于行驶车辆乘坐的舒适性 提出了更高的需求。对汽车变速箱进行振动分析与优化设计对于提 升汽车使用性能，减少交通事故有着重要的作用。贾少汽车变速箱 振动，降低其噪音成为了汽车制造行业的重要课题。汽车制造企业 要对汽车变速箱进行充分的重视，并且在技术不断成熟的基础上实 现优化。
1 汽车齿轮变速箱的分类与结构
1.1 汽车齿轮变速箱的分类 汽车齿轮变速箱以使用方式来进行分类可以将其分为三种： （1）强制操纵式。该方式是一种应用的相对更加广泛的换挡方法。 驾驶员在驾驶汽车的时候要换挡是直接手握变速箱的操纵杆来换挡。 这种方式是依靠人力手动进行； （2）半自动操纵式。半自动操纵式换挡也分为两种不同的方式。 一是在固定的档位中开展自动操作，但是不是固定档位需要挂档就 要驾驶员手动操作 [1]。二是一种预选是半自动操作方式。汽车内部 利用电子装置先将需要使用的档位预设好，自动式操作变速箱的传 动比是自动形成的。在这一情况下，驾驶员仅仅只要在驾驶室内踩 踏加油门与刹车的时候电子系统就可以执行换挡操作； （3）自动式操纵变速箱。该方式是全自动的，汽车变速箱的传 动比是不需要人工操作的。驾驶员在驾驶室内仅仅只要踩踏油门或 刹车就可以自由对车速进行控制。汽车齿轮变速箱以齿轮组转动的 结构方案来进行分类其可以分为以下三种： 1）两轴式。两轴式即为汽车变速箱内只有两轴，该两轴分别 为输入轴与输出轴； 2）三轴式。三轴式是相对于两轴式来说，增加了一个轴。汽 车变速箱内除了有输入轴、输出轴外还有中间轴。其输入轴与输出 轴是在同一根线上的。综合来看，三轴式的传动效率要明显高于两 轴式。三轴式变速箱所采用的是多对齿轮同时传动，其传动比要明 显大于两轴式，并且能够直接变档，所以三轴式的传动效率要比两 轴式的要高 [2]。 1.2 汽车齿轮变速箱的功能 在 汽 车 里 汽 车 齿 轮 变 速 箱 的 作 用 是 用 来 调 整 变 化 传 动 比 的 。 调整变化传动比可以实现多种功能。例如，倒车、停车、空挡等。 调整变化汽车的传动比可以让汽车行驶在路面上的时候面对不同 路况的时候来调整自身的牵引力。这样就可以让汽车发动机的作 用得到最大程度的发挥，还可以符合驾驶员对速度的需求。汽车 行驶过程中由于路面、环境等各种因素的不同，需要汽车驱动扭 矩和行驶速度可以在限定的范围内调整改变，从而来满足不同环 境下的驾驶需求。并且汽车发动机的转速变化范围不大，所以其 转矩变化过小难以符合实际驾驶过重的环境需求。相对发动机来 说，汽车的变速箱就拥有更大范围的调整空间。汽车齿轮变速箱 可以在更大范围内调整扭矩与行驶速度。在不同的行驶需求下汽
车可以灵活自由的调整速度。例如，在高速公路的时候需要行驶 到 100km/h，在人流车流较多的市区车速可以根据实际情况在 30-50km/h 的范围内变动。在汽车行驶过程中不仅仅需要前进， 而且还有需要倒车的时候 [3]。倒车就是汽车倒退行驶，而齿轮变 速箱中的这一功能就是可以实现汽车倒退行驶。中断传输动力也 是汽车在行驶过程中需要实现的功能之一。当汽车发动机已经启 动，汽车换挡或者需要停车的时候，可以利用变速箱来中断汽车 驱动轮的动机输送。如果在离合器已经接合的情况下，变速箱能 够实现动力不输出。在实际的驾驶过中就是发动机在运转的时候， 驾驶员可以松开离合器，空档离开驾驶座位 [4]。
汽车变速箱的出现振动不单单会对汽车的正常运行产生不良影 响，同时还会导致驾驶员在驾驶过程中分心，无法专注驾驶。长时 间在充满振动与噪音的外部情况下驾驶汽车，会使得驾驶员情绪波 动烦躁，难以集中注意力，进而导致驾驶失误，严重出现安全事故。 因此，对汽车变速箱进行振动分析与优化设计对于提升汽车使用性 能，减少交通事故有着重要的作用。
3.3.4 同步器的建模 要对同步器进行建模首先要建立同步器的支架周与同步器相撇 和的齿轮支架轴。支架轴与轴之间采用的是花间连接，齿轮支架轴 使用的是滚针轴承连接。在同步器建模后，软件会自动形成简单模型。 对属性的数据进行修改可以自定义同步器的结构参数。 3.3.5 壳体的导入 在 MASTA 软件中壳体的刚度接近无穷大，显然这一状态与现 实情况是必然不同的。由于要获得更加准确的计算结果，就要适当 的考虑壳体的实际刚度。在 MASTA 软件中的结构柔性模块可以将 壳体的实际模型导入进去，然后对其刚度进行选择与调整，进而实 现考虑到其刚度的情况，开展各种仿真分析。 3.4 宏观参数优化 要实现汽车传动系统功能的提升就要关注传动系统的承载能力 以及总体尺寸的比值。这是提升传统系统能力的关键。在 MASTA 软件中，要对齿轮进行优化处理需要始终保持齿轮副中心距、宽度、 精度都保持不变的基础上开展的。如果需要对该参与进行调整可以 在 MASTA 软件中进行快捷的挑调整。基于这一前提，强度、优化 强度就是需要关注的提升要素。
2 汽车齿轮变速箱的基本结构
2.1 变速传动机构 汽车变速传动机构的元件由齿轮、轴系等。其工作原理为变速 箱调整传动系的转速来获取传动比。一般来说传动方案分为两种， 即为两轴式与三轴式。两轴式就是通过一对齿轮进行变速的情况， 而三轴式就是通过两队齿轮进行变速的情况。 2.2 变速操纵机构 变速操纵机构的元件包括同步器、换档操纵机构等，其主要供 就在于控制汽车的传动机构，来改变汽车变速器的传动比 [5]。同步 器元件包括同步锁环、滑块等部分。当前同步器的工作方式有两种， 分别为惯性式与惯性增力式。这两种工作模式都是利用摩擦来进行 同步。在进行设计的过程中，两种摩擦的元件锁止角与锥面已经经 过了相应的选择。利用锥面形成的摩擦作用，等待啮合的齿轮与齿 圈就会快速的实现同步，并且在达到锁止的效果。这一功能的实现 可以预防齿轮在尚未同步的时候发生啮合。 换档操纵机构的元件由换档拨叉轴以及拨叉等。以变速操纵所 在位置的差异，换档操纵结构可以分为两种类型，分别是直接操纵 式以及远距离操纵式。 （1）直接操纵式。直接操纵式就是指能够实现直接换档的变速 箱与驾驶员座位十分靠近，驾驶员可以直接对该设备进行操作实现 换档； （2）远距离操纵式。远距离操纵式换档就是换档设备与驾驶员 的距离较远，无法直接换档，所以在其中间加设了传动杆件，进而 实现远距离的操纵。这两种方式对比来说，各有其适合的车辆与车 辆特点。直接操纵式换档比较建议，操纵起来更加便捷，大部分的 小轿车与长头货车都比较适合。而远距离操纵的刚性更强，并且要 求各个元件之间的连接缝隙要尽可能的小，以保证在换档的时候有 明显手感，轿车与轻型汽车上比较适合使用这一方式 [6]。
277
理论研究
汽车变速箱的振动分析与优化设计研究
苏 军 （呼和浩特职业学院 , 呼和浩特 010051）
摘 要：汽车齿轮变速箱对于汽车正常行驶来说十分重要，其是汽车正常行驶过程中不可或缺的变速传动设备。汽车变速箱在运行过程中出现 振动会对汽车正常行驶的安全性产生负面影响。现文章就汽车变速箱的振动情况开展研究，同时针对汽车变速箱的振动情况提出相应的优化与 改善。 关键词：汽车变速箱；振动分析；优化设计 DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2015.22.244
3 汽车变速箱振动分析
3.1 齿轮系统振动原理 齿轮系统的动态激励可以将其包括内部与外部激励两种。
理论研究
278
刚度激励 误差激励 冲击激励
啮合激励
齿轮轮体振动
轴
外部激励
齿轮旋转质量 几何偏心
发动机扭矩波动
箱体振动
轴承
图 1 汽车变速器传动系统振动的传递路径
（1）外部激励。发动机的主动力矩以及负载的阻力与阻力矩； （2）内部激励，可以分为刚度激励、误差激励以及啮合冲击 激励。正时齿轮啮合冲击是齿轮形成噪音的主要因素。啮合中的 齿轮可以被当做是一个板簧，其在交变荷载作用下弹性变形并且 由于齿轮的各种误差会造成附加的冲击载荷，使得齿轮产生圆周 振动，形成齿轮上的动载荷。这种动载荷通过轴、轴承传递到壳 体上，进而导致壳体的振动。图 1 即为基础变速器传动系统振动 的传递路径。 3.2 汽车变速箱体的振动 汽车变速箱齿轮轮齿的啮合是会跟着时间而出现动态改变的。 因此，齿轮转动可以看作时间变化的动态系统。齿轮转动是一个多 对的转动系统。齿轮与轴、轴与轴承之间都是相互装配的关系 [7]。 因此，变速箱可以被看做是一个相互耦合的实时动态系统。从激励 的角度来看，啮合齿轮同时具有径向与切向啮合力。综合来看，当 汽车变速箱发生振动的时候并不是一个单纯的问题，但是一个多轴、 多转向、多级的动态振动问题。所以，要对汽车变速箱的振动进行 探究就要兼顾齿轮传动的各项因素。 3.3 汽车齿轮变速箱建模 本次研究结构图使用的是 MASTA 软件进行仿真建模。 3.3.1 轴的建模 在 MASTA 软件中进行轴的建模有标准轴与异性轴可以供选择。 标准轴是结构对称的，异形轴是结构不对称的。一般情况下，标准 轴在 MASTA 软件中核心功能中可以实现。而建立异形轴则要使用 MASTA 软件中的结构柔性模块来进行。本次研究的汽车齿轮变速箱 的三根轴均为标准轴，因此可以直接建立。首先建立光轴，然后在 光轴的基础上添加各种要素，包括内孔、台阶面等；然后，建立定 义轴的沟槽、设计表面粗糙度等细节，在选择轴的材方面可以直接 从 MASTA 软件数据库中选择现成的材料 [8]。 3.3.2 齿轮的建模 在 MASTA 软件中，试论建模是通过参数的设置来进行的，相 关数据包括齿数、螺旋角、压力角、中心距等关键数据，当输入关 键数据后齿轮的二维与三维模型就能够自行生成。关于齿轮的材料 选择方面与轴材料的选择方式相同，即为直接选择默认材料。齿轮 副的建模与上述建模方式相同。 3.3.3 轴承的建模 轴承是一种标准件，在 MASTA 软件的轴承数据库中包括各种 累积的轴承。例如 SKF、NSK 等。通常来说，可以从数据库中直接 选择相对应的轴承，即可以实现自动生成。如遇到特殊情况可以通 过设置轴承的基本参数来添加新轴承，基本参数包括内外径、宽度、 滚子参数等。
4 结束语
伴随着人们生活水平的提升，人们对于行驶车辆乘坐的舒适性 提出了更高的需求。对汽车变速箱进行振动分析与优化设计对于提 升汽车使用性能，减少交通事故有着重要的作用。贾少汽车变速箱 振动，降低其噪音成为了汽车制造行业的重要课题。汽车制造企业 要对汽车变速箱进行充分的重视，并且在技术不断成熟的基础上实 现优化。
1 汽车齿轮变速箱的分类与结构
1.1 汽车齿轮变速箱的分类 汽车齿轮变速箱以使用方式来进行分类可以将其分为三种： （1）强制操纵式。该方式是一种应用的相对更加广泛的换挡方法。 驾驶员在驾驶汽车的时候要换挡是直接手握变速箱的操纵杆来换挡。 这种方式是依靠人力手动进行； （2）半自动操纵式。半自动操纵式换挡也分为两种不同的方式。 一是在固定的档位中开展自动操作，但是不是固定档位需要挂档就 要驾驶员手动操作 [1]。二是一种预选是半自动操作方式。汽车内部 利用电子装置先将需要使用的档位预设好，自动式操作变速箱的传 动比是自动形成的。在这一情况下，驾驶员仅仅只要在驾驶室内踩 踏加油门与刹车的时候电子系统就可以执行换挡操作； （3）自动式操纵变速箱。该方式是全自动的，汽车变速箱的传 动比是不需要人工操作的。驾驶员在驾驶室内仅仅只要踩踏油门或 刹车就可以自由对车速进行控制。汽车齿轮变速箱以齿轮组转动的 结构方案来进行分类其可以分为以下三种： 1）两轴式。两轴式即为汽车变速箱内只有两轴，该两轴分别 为输入轴与输出轴； 2）三轴式。三轴式是相对于两轴式来说，增加了一个轴。汽 车变速箱内除了有输入轴、输出轴外还有中间轴。其输入轴与输出 轴是在同一根线上的。综合来看，三轴式的传动效率要明显高于两 轴式。三轴式变速箱所采用的是多对齿轮同时传动，其传动比要明 显大于两轴式，并且能够直接变档，所以三轴式的传动效率要比两 轴式的要高 [2]。 1.2 汽车齿轮变速箱的功能 在 汽 车 里 汽 车 齿 轮 变 速 箱 的 作 用 是 用 来 调 整 变 化 传 动 比 的 。 调整变化传动比可以实现多种功能。例如，倒车、停车、空挡等。 调整变化汽车的传动比可以让汽车行驶在路面上的时候面对不同 路况的时候来调整自身的牵引力。这样就可以让汽车发动机的作 用得到最大程度的发挥，还可以符合驾驶员对速度的需求。汽车 行驶过程中由于路面、环境等各种因素的不同，需要汽车驱动扭 矩和行驶速度可以在限定的范围内调整改变，从而来满足不同环 境下的驾驶需求。并且汽车发动机的转速变化范围不大，所以其 转矩变化过小难以符合实际驾驶过重的环境需求。相对发动机来 说，汽车的变速箱就拥有更大范围的调整空间。汽车齿轮变速箱 可以在更大范围内调整扭矩与行驶速度。在不同的行驶需求下汽
车可以灵活自由的调整速度。例如，在高速公路的时候需要行驶 到 100km/h，在人流车流较多的市区车速可以根据实际情况在 30-50km/h 的范围内变动。在汽车行驶过程中不仅仅需要前进， 而且还有需要倒车的时候 [3]。倒车就是汽车倒退行驶，而齿轮变 速箱中的这一功能就是可以实现汽车倒退行驶。中断传输动力也 是汽车在行驶过程中需要实现的功能之一。当汽车发动机已经启 动，汽车换挡或者需要停车的时候，可以利用变速箱来中断汽车 驱动轮的动机输送。如果在离合器已经接合的情况下，变速箱能 够实现动力不输出。在实际的驾驶过中就是发动机在运转的时候， 驾驶员可以松开离合器，空档离开驾驶座位 [4]。
汽车变速箱的出现振动不单单会对汽车的正常运行产生不良影 响，同时还会导致驾驶员在驾驶过程中分心，无法专注驾驶。长时 间在充满振动与噪音的外部情况下驾驶汽车，会使得驾驶员情绪波 动烦躁，难以集中注意力，进而导致驾驶失误，严重出现安全事故。 因此，对汽车变速箱进行振动分析与优化设计对于提升汽车使用性 能，减少交通事故有着重要的作用。
3.3.4 同步器的建模 要对同步器进行建模首先要建立同步器的支架周与同步器相撇 和的齿轮支架轴。支架轴与轴之间采用的是花间连接，齿轮支架轴 使用的是滚针轴承连接。在同步器建模后，软件会自动形成简单模型。 对属性的数据进行修改可以自定义同步器的结构参数。 3.3.5 壳体的导入 在 MASTA 软件中壳体的刚度接近无穷大，显然这一状态与现 实情况是必然不同的。由于要获得更加准确的计算结果，就要适当 的考虑壳体的实际刚度。在 MASTA 软件中的结构柔性模块可以将 壳体的实际模型导入进去，然后对其刚度进行选择与调整，进而实 现考虑到其刚度的情况，开展各种仿真分析。 3.4 宏观参数优化 要实现汽车传动系统功能的提升就要关注传动系统的承载能力 以及总体尺寸的比值。这是提升传统系统能力的关键。在 MASTA 软件中，要对齿轮进行优化处理需要始终保持齿轮副中心距、宽度、 精度都保持不变的基础上开展的。如果需要对该参与进行调整可以 在 MASTA 软件中进行快捷的挑调整。基于这一前提，强度、优化 强度就是需要关注的提升要素。
2 汽车齿轮变速箱的基本结构
2.1 变速传动机构 汽车变速传动机构的元件由齿轮、轴系等。其工作原理为变速 箱调整传动系的转速来获取传动比。一般来说传动方案分为两种， 即为两轴式与三轴式。两轴式就是通过一对齿轮进行变速的情况， 而三轴式就是通过两队齿轮进行变速的情况。 2.2 变速操纵机构 变速操纵机构的元件包括同步器、换档操纵机构等，其主要供 就在于控制汽车的传动机构，来改变汽车变速器的传动比 [5]。同步 器元件包括同步锁环、滑块等部分。当前同步器的工作方式有两种， 分别为惯性式与惯性增力式。这两种工作模式都是利用摩擦来进行 同步。在进行设计的过程中，两种摩擦的元件锁止角与锥面已经经 过了相应的选择。利用锥面形成的摩擦作用，等待啮合的齿轮与齿 圈就会快速的实现同步，并且在达到锁止的效果。这一功能的实现 可以预防齿轮在尚未同步的时候发生啮合。 换档操纵机构的元件由换档拨叉轴以及拨叉等。以变速操纵所 在位置的差异，换档操纵结构可以分为两种类型，分别是直接操纵 式以及远距离操纵式。 （1）直接操纵式。直接操纵式就是指能够实现直接换档的变速 箱与驾驶员座位十分靠近，驾驶员可以直接对该设备进行操作实现 换档； （2）远距离操纵式。远距离操纵式换档就是换档设备与驾驶员 的距离较远，无法直接换档，所以在其中间加设了传动杆件，进而 实现远距离的操纵。这两种方式对比来说，各有其适合的车辆与车 辆特点。直接操纵式换档比较建议，操纵起来更加便捷，大部分的 小轿车与长头货车都比较适合。而远距离操纵的刚性更强，并且要 求各个元件之间的连接缝隙要尽可能的小，以保证在换档的时候有 明显手感，轿车与轻型汽车上比较适合使用这一方式 [6]。
277
理论研究
汽车变速箱的振动分析与优化设计研究
苏 军 （呼和浩特职业学院 , 呼和浩特 010051）
摘 要：汽车齿轮变速箱对于汽车正常行驶来说十分重要，其是汽车正常行驶过程中不可或缺的变速传动设备。汽车变速箱在运行过程中出现 振动会对汽车正常行驶的安全性产生负面影响。现文章就汽车变速箱的振动情况开展研究，同时针对汽车变速箱的振动情况提出相应的优化与 改善。 关键词：汽车变速箱；振动分析；优化设计 DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2015.22.244
3 汽车变速箱振动分析
3.1 齿轮系统振动原理 齿轮系统的动态激励可以将其包括内部与外部激励两种。
理论研究
278
刚度激励 误差激励 冲击激励
啮合激励
齿轮轮体振动
轴
外部激励
齿轮旋转质量 几何偏心
发动机扭矩波动
箱体振动
轴承
图 1 汽车变速器传动系统振动的传递路径
（1）外部激励。发动机的主动力矩以及负载的阻力与阻力矩； （2）内部激励，可以分为刚度激励、误差激励以及啮合冲击 激励。正时齿轮啮合冲击是齿轮形成噪音的主要因素。啮合中的 齿轮可以被当做是一个板簧，其在交变荷载作用下弹性变形并且 由于齿轮的各种误差会造成附加的冲击载荷，使得齿轮产生圆周 振动，形成齿轮上的动载荷。这种动载荷通过轴、轴承传递到壳 体上，进而导致壳体的振动。图 1 即为基础变速器传动系统振动 的传递路径。 3.2 汽车变速箱体的振动 汽车变速箱齿轮轮齿的啮合是会跟着时间而出现动态改变的。 因此，齿轮转动可以看作时间变化的动态系统。齿轮转动是一个多 对的转动系统。齿轮与轴、轴与轴承之间都是相互装配的关系 [7]。 因此，变速箱可以被看做是一个相互耦合的实时动态系统。从激励 的角度来看，啮合齿轮同时具有径向与切向啮合力。综合来看，当 汽车变速箱发生振动的时候并不是一个单纯的问题，但是一个多轴、 多转向、多级的动态振动问题。所以，要对汽车变速箱的振动进行 探究就要兼顾齿轮传动的各项因素。 3.3 汽车齿轮变速箱建模 本次研究结构图使用的是 MASTA 软件进行仿真建模。 3.3.1 轴的建模 在 MASTA 软件中进行轴的建模有标准轴与异性轴可以供选择。 标准轴是结构对称的，异形轴是结构不对称的。一般情况下，标准 轴在 MASTA 软件中核心功能中可以实现。而建立异形轴则要使用 MASTA 软件中的结构柔性模块来进行。本次研究的汽车齿轮变速箱 的三根轴均为标准轴，因此可以直接建立。首先建立光轴，然后在 光轴的基础上添加各种要素，包括内孔、台阶面等；然后，建立定 义轴的沟槽、设计表面粗糙度等细节，在选择轴的材方面可以直接 从 MASTA 软件数据库中选择现成的材料 [8]。 3.3.2 齿轮的建模 在 MASTA 软件中，试论建模是通过参数的设置来进行的，相 关数据包括齿数、螺旋角、压力角、中心距等关键数据，当输入关 键数据后齿轮的二维与三维模型就能够自行生成。关于齿轮的材料 选择方面与轴材料的选择方式相同，即为直接选择默认材料。齿轮 副的建模与上述建模方式相同。 3.3.3 轴承的建模 轴承是一种标准件，在 MASTA 软件的轴承数据库中包括各种 累积的轴承。例如 SKF、NSK 等。通常来说，可以从数据库中直接 选择相对应的轴承，即可以实现自动生成。如遇到特殊情况可以通 过设置轴承的基本参数来添加新轴承，基本参数包括内外径、宽度、 滚子参数等。