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时间：2021年11月19日 08:51
（阜新德尔汽车部件股份有限公司，辽宁 阜新 123000）
摘. . 要：当前，我国汽车行业蓬勃发展，随之而来的是一系列的质量问题，其中，变速箱为汽车变速传动的关键部件，其性能将直接决定汽车整体的性能。齿轮传动为变速箱的关键零件，当其结构及传动设计不合理导致变速箱振动加剧且噪声过大，在影响汽车舒适性的同时还降低其性能。因此，对汽车齿轮相关参数及传动精度正确设计可适当降低其冲击力。
关键词：汽车变速箱；振动故障；分析与诊断
引言
齿轮传动装置在运行中产生的振动噪声是机械设备振动噪声的主要来源之一，不仅影响着设备的机械性能，还严重影响着设备的使用寿命。因此，齿轮箱减振降噪的研究对人们日常生活有着重要意义。
齿轮变速箱主要由变速传动结构和变速操纵结构组成。其中，变速传动结构的关键零件为齿轮及其轴等；变速操纵结构的关键部件包括有同步器和换挡操作机构等，其是控制传动机构的主体，是实现传动比调整的关键。本文主要对汽车变速箱振动故障进行分析与诊断。详情如下。
1 变速箱震动故障来源分析
首先是齿轮箱振动噪声故障。齿轮传动装置在运行中产生的振动噪声是机械设备振动噪声的主要来源之一，不仅影响着设备的机械性能，还严重影响着设备的使用寿命。因此，齿轮箱减振降噪的研究对人们日常生活有着重要意义。其次是变速箱振动故障。传统内燃机汽车发动机输出转矩的不平稳性会导致变速箱产生振动噪声问题，比如齿轮啮合振动噪声、轴系的振动噪声以及变速箱壳体的模态共振等。然年后是变速器故障。汽车变速器是整车当中关键部件，尤其对于轻型卡车的变速器至关重要，由于需要载货行驶在各种复杂路面上，面对不同方向、不同大小的激励，变速器会存在一定的故障，其振动特性也关系着整个动力总成的工作效率及工作寿命，直接决定变速器的可靠性。最后是变速箱啸叫故障。变速箱啸叫噪声一般与齿轮对之间传递误差有关，主要由负载引起的变速箱内部的弹性变形以及加工误差、装配误差等因素所致。传递误差越大，说明在传动过程中，从动齿轮实际位置与理论位置之间的差值越大，从而导致传动过程更加不平稳，啸叫噪声也就越大。另外，变速箱震动故障也来源于齿轮参数选用不合理和箱体结构的不合理。
2 汽车变速箱振动故障的诊断措施
2.1 齿轮参数及箱体结构的优化分析
首先是齿轮参数的选用。齿轮参数的不同，对齿轮箱振动噪声的影响也是相差极大的。早期有关齿轮参数对振动噪声影响的研究表明：渐开线齿轮振动噪声低于非渐开线齿轮、斜齿轮振动噪声低于直齿轮，除了齿轮参数以外，齿轮的各项误差同样是造成齿轮箱振动噪声的重要原因。其次是齿轮箱结构优化。齿轮箱结构对振动噪声影响是巨大的，在早期的研究中，研究人员通常采用模态分析法对齿轮箱模型进行简化，对结构壁厚进行调整以达到减振降噪的目的。现在常用的结构改进方法通常分为两类，分别是声学贡献度分析和结构优化。最后是阻尼材料应用。阻尼减振技术是通过在结构体表面敷设、嵌入阻尼类弹性材料，将振动能量转化成热能或其他能量，从而达到减振降噪目的一种技术，使用阻尼材料可以有效地改善齿轮箱的振动特性。
2.2 通过信号采集对震动噪音进行分析
变速箱振动噪声信号采集、频谱分析以及阶次分析是研究和解决变速箱振动噪声问题的主要方法。频谱分析主要是针对平稳信号，非平稳信号主要采用阶次分析。阶次分析通过对时域信号等角度重采样，信号在角度域变为平稳信号，利用傅里叶变换即可分析变速箱振动阶次，从而能够快速定位问题源。阶次跟踪分析方法主要有硬件阶次跟踪和计算阶次跟踪方法。硬件阶次跟踪存在系统成本较高、硬件电路复杂等缺点，而计算阶次跟踪法是通过软件的手段，对等时间间隔的采样信号，通过软件重采样转化成等角度重采样信号，然后通过多项式或者样条插值算法来获得角度域的等角度采样序列。实现等角度重采样的前提是需要获得转速信号时域表达式，需利用转速传感器来获取实时转速信号，然后采用多项式拟合来获得转速信号表达式。但是多数情况转速传感器布置难度较大，比如汽车传动系转速传感器布置，如何通过非转速信号中的阶次信息估计转速成为研究热点，而其中的难点是主要阶次瞬时频率的估计。
2.3 基于某轻卡变速箱有限元进行分析
首先是变速器模态数学模型。模态分析的本身目的是寻找结构体中的各种不同激励下的固有振动频率，以此检测评估结构体的动力学特征。模态分析具体可定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。变速器自由模态数字仿真是在计算机上建立变速器的样机实体，设定与实际条件一致的边界条件，通过计算可以得出变速器在自由状态下的动力学性能参数，进而发现变速器振动相关方面的不合理因素；而变速器自由模态试验是将变速器实体利用某种方法悬置且不影响最终结果，试验时使用激振器在某点加载激振力，各个应力振动点通过传感器将信号传至信号采集器，经过主机的数据处理，形成最终的变速器模态参量和振型。其次是变速器模态试验验证。为了使得所建模型能够更好地反应变速器实际工作状态，在仿真分析中得到更佳精确的结果，匹配变速器模型应该经过试验对比验证，通过对变速器实际试验模态的探索，可以得出变速器在接近于无约束下的自由试验模态振型和各阶固有频率值，进而与上部分的计算机仿真模态分析进行对比，以此验证模型的正确性和实用性。
2.4 齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析
Romax 是一款专业分析变速箱问题的软件，其实用性和可靠性已得到相关专业领域的验证和认可。采用 Romax 转件对变速箱传动系统的结构以及相关载荷变速箱模型的啸叫原因进行了分析，将前进二档、三档和中央齿轮组的转速以及载荷信息输入到变速箱模型，计算得到二档齿轮、三档齿轮和中央齿轮组的传递误差分别为 7.4、9.2 和 14.6，因此齿轮箱啸叫是由中央齿轮组传递误差引起，与本次分析结果相吻合。在三档最高速工况下，由中央传递齿轮组传递误差激励引起的模态分布。可以得出，在中央传递齿轮组传递误差激励下，最高速工况下存在 616.8Hz 的模态，与测试结果 625Hz 较为接近，很有可能会引起共振。在变速箱壳体表面建立虚拟振动加速度传感器，测得变速箱壳体表面 X、Y 和 Z 方向的振动加速度频谱图。变速箱壳体表面 Z 方向在 622Hz 处有较大的峰值，与模态分析一致。变速箱一阶模态频率为 638Hz，与三档最高速工况下啸叫特征频率 625Hz较为接近，因此应该考虑存在变速箱壳体共振的可能性。基于此分析，解决变速箱啸叫问题应考虑从以下几个方面入手：1）改善中央齿轮组的传递误差；2）解决相关轴在最高速工况下的共振问题；3）解决变速箱壳体的共振问题。
3 结语
总之，汽车变速箱的故障已成为研究中必须克服的问题，国内外已经对此问题进行了大量的研究并取得了一些成果，相信随着研究的深入，相信兼具低噪声、高精度及高可靠性等优点的优质变速箱，会在多种高精度机械设备中得到更加广泛的运用。
参考文献：
［1］陈睿杰 . 电动汽车无动力中断两挡变速器换挡机构参数优化[J]. 计算机集成制造系统，2019（10）：20-21.
［2］张海英 . 某汽车变速器 126R 挡齿温锻缺陷分析及预锻件形状优化 [J]. 锻压技术，2019，44（8）：6-11.
