【正文】 射．降低通過(guò)箱體輻射的齒輪噪聲的最根本方法是控制變速器內(nèi)部的噪聲源，但在實(shí)踐中受到變速器工作性能以及生產(chǎn)成本的制約而很難采川，岡此可以通過(guò)提高變速器箱體剛度來(lái)減少齒輪噪聲向外輻射．為了確定變速器箱體上對(duì)輻射噪聲影響較大的區(qū)域，必須先對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性識(shí)刖．為此，應(yīng)用有限元方法計(jì)算得到箱體的特征向量和模態(tài)頻率，測(cè)量其在運(yùn)行工況下部分點(diǎn)的加速度，計(jì)算變速器箱體江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 17 的各階模態(tài)參與岡子，然后識(shí)別出箱體有限元 模型中各點(diǎn)的振動(dòng)加速度．利用識(shí)別出的加速度 計(jì)算可進(jìn)行設(shè)計(jì)更改的 面板 Jx．域的輻射聲功率，對(duì)輻射聲功率較大的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化以降低箱體輻射噪聲。此外，由于變速器齒軸系存 在 制造誤差，變速器箱體安裝邊界條件復(fù)雜，增加了識(shí)別其振動(dòng)特性的難度．通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試手段可獲得箱體上部分點(diǎn)的振動(dòng)特性，但若要獲得整個(gè)箱體的振動(dòng)特性，需要布置大量傳感器，試驗(yàn)次數(shù)多、費(fèi)用高．因此，如何便捷、準(zhǔn)確地獲得變速器箱體的振動(dòng)特性成為其動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一． 目前已有一些學(xué)者對(duì)變速器箱體振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了研究，并取得一定成果．林騰蛟等應(yīng)用齒輪剛度、誤差和沖擊激勵(lì)，計(jì)算得到箱體的振動(dòng)特性，然后用邊界元法計(jì)算其輻射噪聲；趙鳳強(qiáng)等提出以實(shí)測(cè)的變速器箱體振動(dòng)加速度信號(hào)預(yù)測(cè)變速器在線(xiàn)噪聲聲壓級(jí)的方法．本文在已有研究基 礎(chǔ)上，提出基于模態(tài)擴(kuò)展技術(shù)的變速器箱體振動(dòng)識(shí)別方法，對(duì)變速器箱體的振動(dòng)特性進(jìn)行快速和有效的識(shí)別．該方法應(yīng)用有限元技術(shù)計(jì)算出變速器箱體的模態(tài)頻率和特征向量，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得箱體上部分點(diǎn)在運(yùn)行工況下的振動(dòng)加速度，然后將振動(dòng)加速度映射到有限元模型上，計(jì)算出箱體各階模態(tài)參與因子，依據(jù)模態(tài)參與因子與特征向量識(shí)別箱體上所有點(diǎn)的振動(dòng)特性，最后根據(jù)識(shí)別出的振動(dòng)特性，對(duì)變速器箱體上可以進(jìn)行設(shè)計(jì)更改的區(qū)域進(jìn)行輻射聲功率計(jì)算，確定輻射聲功率較大的區(qū)域，并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以降低汽車(chē)變速器的噪音。 典型故障信號(hào)特征 變速器的故障有很多種，下面以幾個(gè)典型癥狀來(lái)加以說(shuō)明。它是齒輪箱故障診斷中廣 泛使用的一種方法 。 離散頻譜校正是針對(duì)幅值譜或功率譜的校正方法，目前常用的有四種方法 :離散頻譜能量重心校正法，對(duì)幅值譜進(jìn)行校正的比值法， FFT+DFT 譜連續(xù)細(xì)化分析傅里葉變換法和相位差法。在實(shí)際 的測(cè)試分析中，同周期相加平均對(duì)單軸上只有一對(duì)齒輪嚙合的狀況下較為有效，如果軸上有多對(duì)嚙合齒輪，通過(guò)采用時(shí)域平均技術(shù)是難以分析故障類(lèi)型和特點(diǎn)的 。 圖 42中所示為直齒輪嚙合剛度曲線(xiàn)，圖 43 為 斜齒輪嚙合剛度曲線(xiàn)。由于這些誤差的存在，在齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中導(dǎo)致了齒輪嚙合位置偏離了理論位置，導(dǎo)致了瞬時(shí)傳動(dòng)比不斷變化和齒輪碰撞沖擊，產(chǎn)生了齒江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 9 輪嚙合沖擊力。 結(jié)構(gòu)噪聲是由齒輪嚙合過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)引起的 ； 空氣動(dòng)力性噪聲則是由于齒輪和齒軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，引起周?chē)?空氣振動(dòng)而產(chǎn)生的。表 36 是對(duì) AB兩車(chē)變速器殼體的檢測(cè)結(jié)果，從表 36 中可知有噪音異常聲響的汽車(chē)變速器 A 垂直度超差 ，垂直度合格的汽車(chē)變速器 B則無(wú)噪音異常聲響。 3) 判斷如能排除，汽車(chē)變速器空檔噪音異常聲響可能、且絕大多數(shù)是變速器殼體制造質(zhì)量超差引起的。因此要把變速器放在整車(chē)上進(jìn)行測(cè)試，弄清是哪一方面產(chǎn)生的故障和故障的大致部位。一般情況下， 85分貝以下的噪聲不至于危害聽(tīng)覺(jué)，而 85 分貝以上則可能發(fā)生危險(xiǎn)。 項(xiàng)目 分析步驟 首先分析變速器的結(jié)構(gòu)，找出噪音產(chǎn)生的機(jī)理，并搞清楚齒輪嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)方式。 研究意義 通過(guò)對(duì)變速器齒輪噪聲的問(wèn)題分析，以及齒輪優(yōu)化，進(jìn)一步降低了變速器的齒輪噪音，提高了產(chǎn)品合格率，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益 .同時(shí)也為今后的變速器齒輪噪音的改善，奠定了良好的基礎(chǔ)。如英國(guó)的變速器虛擬原型仿真軟件 Romax，德國(guó)的 HEADacoustics 股份有限公司，Mueller BBM 公司，比利時(shí)的 公司等。 20xx 年， 發(fā)現(xiàn)了齒輪的動(dòng)力載荷計(jì)算的新方法，通過(guò)對(duì)起支撐作用的軸承和齒輪的變形進(jìn)行分析，來(lái)計(jì)算齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的齒輪的嚙合特性。返回的變速箱經(jīng)過(guò)再次測(cè)試依然能明顯聽(tīng)到嘯叫，測(cè)試時(shí)檢測(cè)到異常振動(dòng)和聲音信號(hào)特征。雖然變速器噪音不會(huì)立即影響汽車(chē)的行駛，但會(huì)使汽車(chē)乘坐舒適性嚴(yán)重下降，造成司乘人員心情煩躁、注意力下降等不良癥狀出現(xiàn)，如不及時(shí)維修會(huì)引發(fā)其它汽車(chē)故障。 課程設(shè)計(jì)論文 DMAIC 模型在降低變速器噪音的應(yīng)用 工業(yè)工程 111班 劉洋 15號(hào) 20xx年 6月 摘 要 汽車(chē)制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)， 隨著汽車(chē)的普及，人們對(duì)汽車(chē)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，對(duì)汽車(chē)的使用性能也提出了越來(lái)越高的要求。我國(guó)汽車(chē)絕大多數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)布置傳動(dòng)系的，故本文重點(diǎn)分析的是同軸變速齒套式汽車(chē)變速器噪音異常聲響問(wèn)題。 齒輪噪音國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行了廣泛和深入的研究 。從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，齒形變化是對(duì)齒輪的嚙合接觸有較大影響。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 20xx 年以來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校學(xué)者對(duì)齒輪嚙合特性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。 論文的特點(diǎn) 該課題研究將虛擬仿真、故障信號(hào)分析與生產(chǎn)制造緊密聯(lián)系，有效地實(shí)現(xiàn)了齒輪分析和優(yōu)化，主要有以下幾方面的特點(diǎn) : ? 通過(guò) Reilhofer 系統(tǒng)的變速器臺(tái)架測(cè)試，提取故障變速器的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)故障振動(dòng)信號(hào)的階次分析，快速識(shí)別出故障部位 。一共有三種，分別是剛度激勵(lì)，誤差激勵(lì)，齒輪沖擊激勵(lì)。統(tǒng)計(jì)表 明，長(zhǎng)期工作在 90 分貝以上的噪聲環(huán)境中，耳聾發(fā)病率明顯增加。 汽車(chē)變速器噪音異常聲響故障 的查找方法與步驟 1) 檢查潤(rùn)滑油加入量和牌號(hào)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，潤(rùn)滑油清潔度是否符合要求，如合格則排除潤(rùn)滑油原因。 4) 如是汽車(chē)變速器前進(jìn)檔噪音異常聲響，只需檢測(cè)該前進(jìn)檔配對(duì)的齒輪副的裝配質(zhì)量和齒輪制造質(zhì)量，如非齒輪問(wèn)題，絕大多數(shù)汽車(chē)變速器前進(jìn)檔噪音異常聲響是軸承磨損超差引起的，更換相應(yīng)軸承一般可解決。 表 36 汽車(chē)變速器殼體檢測(cè)結(jié)果 mm 序號(hào) 測(cè)量項(xiàng)目 技術(shù)要求 變速器 A 變速器 B 1 前端面對(duì)軸心線(xiàn)的 垂直度 2 前后端面平面度 3 前端兩定位稍孔中 心距 177。一般在高速旋轉(zhuǎn)中才會(huì)考慮空氣噪聲的影響，在低速傳動(dòng)時(shí)，可不予考慮。制造誤差的種類(lèi)很多，其中包括 :齒向傾斜偏差、齒向凸度、齒廓傾斜偏差、齒廓凸度、撓度、一齒徑向總偏差、徑向綜合總偏差、齒向傾斜偏差變動(dòng)量和齒廓傾斜偏差變動(dòng)量等等。從兩個(gè)譜線(xiàn)的對(duì)比可以看出直齒輪的變化很快，易引發(fā)沖擊而產(chǎn)生除嚙合頻率之外的高次諧波。 頻譜分析技術(shù) 頻譜分析是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的最基本和常用的方法之一，在生產(chǎn)和科研中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。 倒頻譜分析 倒頻譜分析又稱(chēng)為二次頻譜分析，其實(shí)質(zhì)是對(duì)功率譜取對(duì)數(shù)，然后再進(jìn)行頻譜分 析，得到頻譜中的周期成分。 階次分析與典型故障信號(hào)特征 階次分析 變速器是汽車(chē)動(dòng)力傳輸?shù)闹匾考潺X輪的嚙合頻率，軸的旋轉(zhuǎn)頻率以及軸承的通過(guò)頻率均與輸入軸的轉(zhuǎn)速有著直接的關(guān)系，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷變化，其變速器的相關(guān)頻率也在不斷的變化，如果采用傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生頻率模糊的現(xiàn)象。 不平衡機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 44 不平衡機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng) 江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 12 如圖 44 所示，橫軸為頻率軸， fn為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 (階次 )，縱軸為振幅，單位為振動(dòng)加速度。 基于模態(tài)擴(kuò)展技術(shù)的變速器箱體振動(dòng)特性 識(shí)別的基本原理 當(dāng)變速器箱體受到任意激勵(lì) f(t)作用時(shí)，其振動(dòng)微分方程為 : MX+CX+KX=f(t) (1) 式中： M 為箱體的質(zhì)量矩陣； X為箱體的響應(yīng)位移矩陣； C為箱體阻尼矩陣；K為箱體的剛度矩陣； f(t)為箱體受到的激振力矩陣． 利用主振型矩陣 P 作為坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到箱體在物理坐標(biāo)下的響應(yīng)為 : X(w)=P{q(w)} (2) 式中： X(w)為箱體的響應(yīng)； P為箱體的主振型矩陣； {q(w)}為箱體的模態(tài)參江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 15 與因子矩陣 。 變速器箱體模態(tài)分析及驗(yàn)證 對(duì)變速器箱體進(jìn)行自由模態(tài)分析，獲取箱體的模態(tài)頻率和特征向量．采用四面體單元模擬箱體，用梁?jiǎn)卧硎韭菟ㄟB接，由 Nastran 軟件進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算，獲得箱體的模態(tài)頻率和特征向量．由于關(guān)注的頻率范圍為 7001200 Hz，計(jì)算的模態(tài)頻率上限值為關(guān)注頻率范圍的上限值 2倍，因此，模態(tài)計(jì)算頻率范圍為 0～2400 Hz．由模態(tài)計(jì)算結(jié)果知，在 02400Hz 內(nèi)變速器箱體的模態(tài)階數(shù) m為 16。這里主要研究上箱體拱板約束阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu) 化問(wèn)題，總的成本包括阻尼材料的費(fèi)用、約束層和基層鋼板材料的費(fèi)用和法蘭鋼板費(fèi)用，其他的加工費(fèi)和工藝費(fèi)為固定費(fèi)用，將不作優(yōu)化考慮?？偟牟牧腺M(fèi)用為： （ 2） 目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式 設(shè) s0、 h0 分別為堵住觀察孔的兩塊小鋼板的面積和厚度 ，那么可得兩塊法蘭鋼板的體積為 V4=2s0h0； s 為除掉兩個(gè)觀察孔的拱板的面積，即粘貼阻尼層江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 24 和約束層的面積，也即是基層結(jié)構(gòu)的面積， 那么有： 基層鋼板體積： V1=sx1 阻尼層體積： V2=sx2 約束層體積： V3=sx3 約束阻尼處理拱板的造價(jià)： （ 3） 根據(jù)圖紙建模幾何參數(shù)可得 s0=+05mm2， h0=3mm， s=+06mm2。環(huán)境振動(dòng)效果評(píng)價(jià)是以振動(dòng)的強(qiáng)度為基準(zhǔn)，因此，我們采用振動(dòng)加速度級(jí)來(lái)評(píng)定振動(dòng)的強(qiáng)度。 若令 u1=1/x1,u2=1/x2,u3=1/x3，那么新的變量為 u=(u1,u2,u3)T，新變量相應(yīng)的取值范圍為： 1/15≤ u1≤ 1/5， 1/20≤ u2≤ 1/8， ≤ u3≤ 2，則新的目標(biāo)函數(shù)為 ： （ 8） 江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 26 新的約束條件為： （ 9） 將式 (8)和式 (9)代入優(yōu)化模型表達(dá)式 (7)得到新的優(yōu)化模型： （ 10） 通過(guò)變量取倒數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，原優(yōu)化模型式 (7)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換為新的優(yōu)化模型式 (10)，從求解的角度講，采用已有的二次規(guī)劃求 解程序進(jìn)行求解更方便。檢驗(yàn)點(diǎn)的選取也不單單選擇區(qū)域邊界點(diǎn)，還通過(guò)構(gòu)造函數(shù)的擬合有效范圍 {u︱ ui(0)181。 江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 28 表 71 三厚度變量振動(dòng)加速度級(jí)試驗(yàn)點(diǎn)值 組數(shù) 1 2 3 4 5 1 2 3 L 盡管近似模型在一定程度上接近原始模型，但是逼近函數(shù)相對(duì)于原函數(shù)來(lái)說(shuō)畢竟具有較低的精度。 圖 72 約 束響應(yīng)面的檢驗(yàn)點(diǎn) 取 181。=11，對(duì)構(gòu)造的有效范圍邊界點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn) ,在 Matlab 軟件中計(jì)算檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的擬 合值，以及擬合值與數(shù)值模擬真實(shí)值之間的誤差，見(jiàn)表 75 數(shù)據(jù)所示。在 Matlab 軟件中計(jì)算檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的擬合值，以及擬合值與數(shù)值模擬真實(shí)值之間的誤差，見(jiàn)表 76 數(shù)據(jù)所示。取 181。因此近似模型的有效性不是全局的，而是只在中心展開(kāi)點(diǎn)周?chē)粋€(gè)小的范圍內(nèi)能夠保證近似模型足夠接 近原始模型，能夠代替原始模型進(jìn)行優(yōu)化。δ (i=1,2,3)， 181。 振動(dòng)加速度級(jí)約束函數(shù)的顯式化 一次響應(yīng)面擬合約束函數(shù) 響應(yīng)面擬合約束函數(shù)一次響應(yīng)面需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一次結(jié)構(gòu)分析，因此不能選用大量試驗(yàn)點(diǎn)構(gòu)造響應(yīng)面。其中的 Z 振級(jí)是指按 ISO2631/11985 規(guī)定的全身振動(dòng) Z 計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí)，記為 VLZ，單位為分貝，dB。 設(shè)計(jì)變量 拱板薄殼結(jié)構(gòu)是變速箱箱體的必要組成部分，和箱體的壁板結(jié)構(gòu)一起封閉整個(gè)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度要求小，往往是振動(dòng)和噪聲最嚴(yán)重的地方。由于造價(jià)上很難給定，所以追求振動(dòng)與噪音最小的意義不大，因此后一種比較合理。 67，平均值為0． 79，表明有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，通過(guò)此有限元模 型計(jì)算出的模態(tài)頻率和特征向量能用于箱體振動(dòng)加速度識(shí)別． 江西理工大學(xué) 20xx屆本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 18 表 51 有限元分析和試驗(yàn)測(cè)量的變速器箱體模態(tài)比較 階數(shù) 有限元頻率/Hz 試驗(yàn)頻率/Hz 頻率差值百分比/% 振型 MAC值 1 849 784 2 901 845 3 1309 1278 4 1375 1313 5 1495 1450 6 1547 1546 7 1613 1650 8 1682 1683 變速器箱體有限元模型中各點(diǎn)振動(dòng)加速度的識(shí)別及驗(yàn)證 在利用有限元方法獲得變速器箱體模態(tài)頻率和特征向量后，通過(guò)試驗(yàn)方法獲