重载汽车齿轮变速箱振动信号与结构模态特性分析.pdf
陈龙
[摘 要]变速箱在汽车中的地位非常重要，其固有的振动特性密切关系着车辆的性能状态。深入分析汽车变速箱固有振动特性，可以得到变速箱箱体的在不同情况下的动态响应情况，得到汽车变速箱的最佳激励方向等参数，为进一步优化汽车变速箱结构提供了重要条件。本文首先对汽车变速箱进行了概述，然后对某种型号汽车变速箱的固有振动特性进行了研究。
[关键词]汽车变速箱；振动特性；汽车性能；动态响应
中图分类号：TB5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0082-01
一、汽车变速箱概述
变速箱的主要作用是改变汽车的传动比，让汽车改变行驶速度、进行倒车或者使档位处于空挡。汽车在不同的行驶条件下对行驶速度和驱动扭矩的要求也不同，变速箱改变传动比能充分发挥汽车发动机的性能，满足驾驶的要求。一般来说，汽车发动机的转速只能在小范围内变化，利用变速箱则可以有效改变汽车的行驶速度。汽车发动机曲轴的转动方向通常是固定的，如果汽车需要倒退，就必须要通过变速箱的倒挡来进行。当汽车档位需要置于空挡时，变速箱就可以不输出动力。
汽车变速箱是汽车零部件的最重要组成部分，它主要有以下三个特点：其一传动力矩比较大，其二传动比是固定的，第三，结构紧凑。汽车变速箱的运行状况直接关系着整辆车的系统性能。如果受到内外部激励的作用，汽车变速箱在正常运转时就会产生机械振动。如果内外部激励的频率与汽车变速箱结构固有频率相类似时，就会引起异常振动，变速箱壳体的固有频率在异常振动的带动下就会加快，这种情况极大影响了汽车的性能，会缩短汽车正常的使用时间。为了改变这种现象，提高固有频率是不错的选择。
要想对某种型号汽车的变速箱做固有振动特性研究，其操作步骤主要有以下几个方面：首先，明确汽车变速箱的固有频率和频带；其次，找出变速箱的最佳激励方向，激励方向不仅受汽车变速箱具体结构的影响，而且不同方向的激励会造成不同的效果。最佳激励方向是在频域信号基础上确定的，频域信号是时域信号经过傅里叶转换后得到的。
二、测试系统
汽车变速箱固有振动特性研究主要应用了高性能数据测试仪以及力锤等测试仪器，根据变速箱的特性选择了九个测试点，首先对变速箱进行清洗，然后在测点位置安装加速度计并进行编号。
不同的通道号对应的测试点和使用的传感器有所不同，CH1通道使用的是力锤，对水平和垂直方向分别进行三次锤击；CH2至CH28使用的是振动传感器，对应的测试点按顺序为测点1至9。此次试验主要是研究汽车变速箱传感器测试点在锤击作用下的动态响应状况，从不同的方向进行锤击的主要目的是减少噪音并且得到变速箱各種频率的响应信号。
汽车变速箱输出轴轴端是本次试验选择的锤击点，试验一共分为八组分别依次进行。其中第一组至第三组的响应数据是在垂直锤击时采集的，第四、五组的响应数据是在水平向左锤击时采集的，第六组至第八组的响应数据是在输出轴端向锤击时采集的。每组试验都进行三次锤击，将三次获得的动态响应信号取平均数来分析频响函数。然后从同一方向锤击的几组试验中挑选出响应信号较好的一组进行频域分析。
三、试验分析
一共八组试验，每次试验锤击三次，试验结束共需进行24次锤击，每次试验激励的情况因锤击力度的差异而有所不同（表1）。
选择同一锤击方向几组中锤击力相似的值，第三组的第一次锤击（5636.8N），第四组的第二次锤击（5642.8N），第六组的第一次锤击（5724.6N）。通过做出三组的时域曲线和频域曲线可以看出：传感器在经过水平锤击和垂直锤击之后的响应比较大，时域曲线和频域曲线上的峰值比较高。在轴向锤击时，由于汽车变速箱结构的差异和其中部件安全方式的不同，响应信号中涵盖的频率信息不多，与垂直锤击和水平锤击相比，轴向锤击的引起箱体的特征频率明显减少。
频响函数能充分体现出变速箱结构系统的性能，而且还能体现出系统内部各个参数对系统整体性能的具体影响，频响函数的影响因素比较少，完全不会受到输入量的影响。根据第三、四、八组试验数据分别计算频响函数。频响函数的输入信号是锤击力，输出信号是加速度。通过计算频响函数就能获得变速箱结构的特征频率。
四、测试结论
此种型号汽车变速箱箱体的特征频率在1kHz以下属于低频，低频情况下具有比较少的特征频率，而且阻尼较大，频响函数的峰值也偏小。箱体的特征频率在1kHz-3kHz之间属于高频，高频包含的特征频率比较多，对应阻尼大小则与低频的正好相反，频响函数的峰值较大。变速箱箱体在水平方向激励下的特征频率是92.4Hz，在垂直方向激励下是85.3Hz，在轴向激励下是74.4Hz，通过分析可以发现，此型号汽车变速箱的固有频率大致在74Hz-93Hz范围内。
通过分析可以认为这种变速箱属于长方形结构，轴向激励方式不会引起较多的特征频率，并且在一定程度上会掩盖变速箱箱体垂直或水平激励的特征频率，所以轴向锤击方式并不适用，相反，水平锤击和垂直锤击则能充分激励出箱体的特征频率。其中水平锤击方式下的显示的特征频率波动不大，箱体的动态参数具有客观性，以后可以采用水平锤击方式来研究变速箱的固有振动特性。
参考文献
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