变速箱振动与噪声分析_董晓露

摘 要变速箱作为动力输入与输出的承载装置，无论是在传统内燃机汽车还是新兴的新能源汽车上都必不可少。

由于行星齿轮在承载能力、传动效率等方面的优势，使得它在变速箱中有着普遍的应用。

变速箱是汽车噪声源的主要产生部位之一，它对整车的噪声与振动（NVH）性能有很大的影响，因此，变速箱的辐射噪声预估与控制受到了科研人员的密切关注。

本文以某电动车搭载的行星齿轮变速箱为研究对象，综合运用理论分析、数值仿真模拟、试验测试等手段，提出考虑箱体柔性及太阳轮浮动的变速箱振动噪声预估方法，对其在高转速下的振动噪声性能进行预估与优化，为解决变速箱NVH问题提供了研究思路。

本文的主要研究工作包括：1）行星齿轮变速箱刚柔耦合动力学模型的建立。

通过探究行星齿轮传动机理，结合有限元与多体动力学方法，考虑太阳轮浮动及箱体柔性，利用ADAMS 建立刚柔耦合动力学模型，并对变速箱的齿轮啮合力以及轴承动载荷的时频特性进行分析。

2）基于模态叠加法的变速箱箱体振动响应分析。

通过建立考虑电机振动作用的系统有限元模型，分析变速箱的固有振动特性；将轴承激励力施加到有限元模型中，利用模态叠加法求解变速箱的振动响应，发现内部柔性体结构以及行星架的外端面为振动薄弱部位。

3）行星齿轮变速箱辐射噪声预估。

以箱体外表面振动速度为边界条件，采用间接边界元法建立变速箱辐射噪声预估模型，仿真得到场点辐射噪声以及声功率曲线。

同时利用声传递向量法进一步研究箱体面板声学贡献量，发现行星架及内齿圈、大齿轮等结构对噪声贡献量较大。

4）变速箱多工况分析与结构优化。

基于转速及负载变化工况对变速箱振动噪声的影响规律进行探究，结果表明转速波动会导致齿轮啮合频率的边频带成分增加，增大辐射噪声；负载变化则影响全频带幅值大小。

同时根据前文结果进行箱体优化设计仿真，分析了加筋及吸声材料对箱体辐射噪声的降噪效果。

关键词：行星齿轮变速箱，刚柔耦合，辐射噪声，结构优化IAbstractAs a load bearing device of power input and output, gearbox is indispensable in both traditional internal combustion engine vehicles and emerging new energy vehicles. Planetary gear transmission is widely used in gearbox because of its strong bearing capacity, high transmission efficiency and large transmission ratio. Gearbox noise is one of the main noise sources of antomobile, which has a great influence on the performance of noise and vibration(NVH). Therefore, the estimation and control of its radiated noise are paid close attention to by researchers. In this paper, the planetary gearbox carried by an electric vehicle is taken as the research object, By means of theoretical anslysis, numerical simulation, test and other means, a vibration and noise estimation method for the gearbox considering the flexibility of the box and the floating of the sun gear is proposed to estimate and optimize its vibration and noise performance at high speed. It provides a research idea to solve the NVH problem of gearbox.The mean research work of this paper includes:1)Dynamics analysis of rigid-flexible coupling of planetary gearbox. By exploring the meachanism of planetary gearbox, combining the finite element and multi-body dynamics method, considering the floating characteristics of the solar wheel and the flexibility of the box body, the rigid-flexible coupling dynamics model was established by using ADAMS to analyze the time-frequency characteristics of gear meshing force and bearing dynamic load.2)Vibration response analysis of gearbox based on mode superposition method. By establishing the finite element model of the system considering the action of the motor, the inherent vibration characteristics of the gearbox are analyzed. By applying the bearing excitation force to the finite element model and using the modal superposition method to obtain the vibration data of it, it is found that the internal flexible structure and the outer end face of the planetary frame are the weak parts of vibration.3)Estimation of radiated noise from planetary gearboxes. Taking the vibration velocity of the outer suface as the input condition, an IBEM was used to establish the prediction model of the radiation noise of the box. At the same time, acoustic transfervector method was used to further study the acoustic contribution of the cabinert panel, it is found that the structure of planetary frame, inner ring and large gear contribute much to noise.4)Multi-working condition analysis and structure optimization of gearbox. Based on the study of the influence of rotating speed and load changing conditions on the vibration noise of the gearbox, it is shown that the fluctuation of rotating speed will lead to the increase of the side band component of the gear meshing frequency and increase the radiation noise. The amplitude of full frequency band is affected by load variation. At the same time, according to the above results, the optimized design of the box was carried out, and the noise reduction effect of the stiffened and sound-absorbing materials on the box was analyzed.Key words: Planetary Gearbox, Rigid-flexible Coupling, Radiated Noise, Structure Optimization目 录摘 要 (I)Abstract ...................................................................................................... I I 目 录 .. (IV)第1章引言 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 行星齿轮动力学研究现状 (2)1.2.2 变速箱振动噪声试验研究现状 (4)1.2.3 变速箱振动噪声预估方法研究现状 (5)1.2.4 变速箱振动噪声控制研究现状 (7)1.3 研究内容及方法 (9)1.3.1 研究内容 (9)1.3.2 研究方法 (10)1.3.3 技术路线 (10)第2章变速箱刚柔耦合动力学建模 (12)2.1 行星齿轮变速箱结构建模 (12)2.1.1 行星齿轮变速箱结构及工作原理 (12)2.1.2 行星齿轮变速箱三维建模 (13)2.2 齿轮系统动态激励产生机理 (15)2.3 行星齿轮变速箱参数计算 (16)2.3.1 行星齿轮传动比 (16)2.3.2 行星齿轮啮合频率 (18)2.3.3 行星齿轮啮合力 (18)2.3.4 行星齿轮接触力 (19)2.4 行星齿轮变速箱刚柔耦合模型建立及分析 (22)2.4.1 箱体柔性化 (23)2.4.2 浮动太阳轮刚柔耦合动力学建模 (24)2.4.3 仿真结果分析 (25)2.5 本章小结 (30)第3章变速箱模态及振动响应分析 (31)3.1 模态分析理论概述 (31)3.2 变速箱模态分析 (33)3.2.1 有限元模型的建立 (33)3.2.2 箱体模态仿真与试验 (34)3.2.3 振动模态分析 (37)3.3 变速箱振动响应分析 (40)3.4 本章小结 (44)第4章变速箱辐射噪声预估 (45)4.1 辐射噪声理论概述 (45)4.1.1 声学波动方程 (45)4.1.2 声学边界元法 (46)4.2 辐射噪声分析预估 (48)4.2.1 边界元网格建立 (48)4.2.2 场点网格建立 (49)4.2.3 边界条件定义 (50)4.2.4 辐射噪声结果 (51)4.3 板块声学贡献量分析 (54)4.3.1 板块区域划分 (54)4.3.2 板块贡献量结果分析 (54)4.4 本章小结 (57)第5章变速箱多工况分析与结构优化 (58)5.1 工况对变速箱振动噪声的影响 (58)5.1.1 转速波动对变速箱振动噪声的影响 (58)5.1.2 负载对变速箱振动噪声的影响 (60)5.2 结构优化分析 (61)5.2.1 加强筋对变速箱辐射噪声的影响 (61)5.2.2 吸声材料对变速箱辐射噪声的影响 (63)5.3 本章小结 (64)第6章结论 (66)6.1 全文总结 (66)6.2 研究展望 (67)致谢 (68)参考文献 (69)攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果 (73)第1章引言1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景汽车从最初的代步工具发展为现在的智能终端，它与人们的日常生活联系地越来越紧密。

0引言一般情况下，汽车变速箱在出现故障时，需要对出现故障的变速箱的前进挡及倒挡的升速变化做测试。

同时，还包括稳态运行及降速的过程也要做好振动测试。

汽车变速箱所使用的都是弹性振动系统[1]，在自由度方面较为复杂。

从一定程度上说，变速箱容易受到激振力的作用，从而产生更加复杂的振动，尤其是在高速运转的情况下。

如若长期如此，很容易出现各种故障。

弹性振动系统是汽车变速箱的整体结构，它的构造复杂繁琐，细节性强。

变速箱的功能易受外界环境因素影响，特别是外界振力对它影响较大，外界复杂的振动会造成变速箱的使用寿命缩短，汽车使用寿命也随之缩短。

为解决相应问题，各个厂商和消费者都在不断追求汽车变速箱新效能的研发可投放市场，从而追求更舒适的汽车安全环境，进一步推动汽车产业的更新进步。

在满足市场需求的同时，提供汽车市场更好地销售环境。

1针对汽车变速箱的含义、功能及故障诊断的重要性探究变速箱是汽车的灵魂，变速箱对汽车正常运行牵涉面宽广，当然，其他的很多产业也牵涉到变速箱，例如：工业领域、科研领域、人工智能等领域对其皆有涉及。

一般情况下，它在汽车行业之中被称之为变速箱，在工业领域则被称之为变速机，其应用原理一样。

变速机是对指的机械动力进行转换的一种机器设备，它通过物理化学作用，将能量进行转化和转移。

变速箱影响着整个汽车运行系统，是汽车行业的引导系统。

汽车的速度变化皆依赖于变速箱的正常运行，对于汽车爬坡或是下坡过程中汽车的速度变化，都需要它来进行调节。

发动机的调节机制中为保证机器的正常工作，添加变速器放于系统中成了必须要素之一。

1.1对变速器的具体功能探讨汽车变速器的具体功能也是影响汽车正常高效运行的一大要素。

为了解变速器的具体功能，那了解影响汽车传动比的因素变得必不可少。

一般而言，驱动轮转转速的扩大是改变汽车传动比的主要影响因素，当然，在汽车倒退过程中也会对其造成影响。

发动机的正常工作也可以确保汽车变速器正常工作，防止汽车运行产生的高温对汽车变速器造成损伤。

变速箱噪音解决方案第1篇变速箱噪音解决方案一、背景分析随着汽车行业的快速发展，变速箱作为汽车核心部件之一，其性能的优劣直接影响到车辆的驾驶体验和安全性。

然而，在实际使用过程中，变速箱噪音问题一直困扰着广大车主和汽车制造商。

本方案旨在针对变速箱噪音问题，提出一套合法合规的解决方案，以提高车辆行驶品质，降低噪音污染。

二、问题诊断1. 变速箱内部齿轮啮合不良：齿轮啮合不良会导致齿轮之间的撞击和摩擦，从而产生噪音。

2. 变速箱油液性能不佳：油液性能不佳会导致润滑效果下降，加剧齿轮磨损，产生噪音。

3. 变速箱壳体结构设计不合理：壳体结构设计不合理会导致共振，放大噪音。

4. 变速箱零部件松动或损坏：零部件松动或损坏会导致变速箱内部异响，产生噪音。

三、解决方案1. 针对齿轮啮合不良问题：（1）优化齿轮加工工艺，提高齿轮啮合精度。

（2）采用先进的齿轮修形技术，改善齿轮啮合性能。

（3）定期检查和维护变速箱齿轮，确保齿轮啮合良好。

2. 针对变速箱油液性能不佳问题：（1）选用高品质的变速箱油，提高油液的润滑性能。

（2）定期更换变速箱油，确保油液性能始终处于良好状态。

（3）加强对变速箱油液性能的监测，及时发现并解决问题。

3. 针对变速箱壳体结构设计不合理问题：（1）优化壳体结构设计，降低壳体共振。

（2）采用隔音材料对壳体进行包裹，减小噪音传播。

（3）加强对壳体结构强度和刚度的检测，确保结构安全可靠。

4. 针对零部件松动或损坏问题：（1）定期检查变速箱零部件，发现松动或损坏立即更换或维修。

（2）提高零部件的加工精度，减小装配误差。

（3）加强对零部件供应商的质量管理，确保零部件质量。

四、实施与监控1. 制定详细的实施方案，明确责任人和实施时间。

2. 对实施过程进行全程监控，确保方案落实到位。

3. 定期对实施效果进行评估，及时调整优化方案。

4. 建立健全变速箱噪音防治长效机制，持续提高车辆行驶品质。

五、预期效果1. 显著降低变速箱噪音，提高车辆驾驶舒适性。

汽车变速箱振动噪声时频域分析摘要：汽车变速箱是一个由齿轮、轴承、传动轴等零部件组成的复杂机械传动设备，也是一个多自由度弹性机械振动系统。

汽车变速箱的性能好坏会直接影响整车性能，变速箱需要在装配后进行适当的性能测试。

变速箱的噪声水平可以从客观上反映变速箱的自身性能与工作状态，是变速箱质量检测的重要指标之一。

变速箱在设计时就对噪声有着严格的要求，变速箱内部包括了齿轮、轴承等构件，这些部件在正常工作时就会不断产生振动冲击，而当这些部件运行出现故障时，就会导致噪声超标。

关键词：汽车变速箱；噪声；控制变速箱的变速、储能、增加扭矩等作用，使它成为动力机械中应用十分广泛的通用部件之一。

它的工作是否正常涉及到整台机械或机组的工作性能。

变速箱的噪声水平可以从客观上反映变速箱的工作状态，而成为其质量检测的指标之一。

在设计变速箱时，就规定了其噪声标准。

变速箱在工作中，内部构件，如齿轮、轴承等，不断产生振动冲击，当有故障存在时，其振动强度增大，噪声水平超标。

本文根据所测变速箱的振动噪声谱，及其相关函数分析，找出了该变速箱产生冲击噪声的原因，采取了相应的降噪措施，使该机的振动和噪声都达到满意的效果。

一、变速箱噪声的分类变速箱噪音根据其形成的方式可以分成三类：一是由于变速箱震动时与空气相互作用而辐射的噪声，这类噪声称为空气动力性噪声，由于是空气震动产生的噪声，所以这类噪声一般声音大，影响的范围广，是变速箱噪声中常见的存在。

第二类是变速箱内齿轮等构件相互挤压碰撞摩擦引起震动，从而造成的噪声，这类噪声称为机械性噪声，这类噪声一般影响比较小，当机械正常工作时，这类噪声往往比较小，属于可控范围内的噪声。

第三类是由于电机和发动机里的电流形成的磁场，这个交变磁场对结构内的转子产生作用力造成震动从而产生的噪声。

这类噪声也是属于机械性噪声的一种。

二、变速箱的噪声的影响因素目前，汽车在行驶过程中产生的噪声的多少已经成为车辆的重要评价指标之一。

变速箱噪声的频谱分析与故障诊断
0引言变速箱的变速、储能、增加扭矩等作用，使它成为动力机械中应用十分广泛的通用部件之一。

它的工作是否正常涉及到整台机器或机
组的工作性能。

变速箱的工作形式和结构复杂性，又使得它容易引发故障。

因此，变速箱的质量检测在动力机械工程中占有重要的地位。

本文运用故障诊断技术分析变速箱出现故障的原因。

实施故障诊断技术
的首要步骤是获得反应检测对象运行状态的诊断信息。

在动力机械工程中，获
得诊断信息的常用方法有直接观察法、振动噪声检测法、磨损残留物检测法和
运行性能监测法等［1］。

对变速箱而言，振动和噪声信号是故障诊断的重要信息。

变速箱的噪声水平可以从客观上反映变速箱的工作状态，而成为其质量
检测的指标之一。

在设计变速箱时，就规定了其噪声标准。

声与振动紧密地联
系在一起，是源与流的关系。

因振动而发声的物体即是声源，当振动以波的形
式在弹性媒质中传播时，便形成声波。

噪声是人类不希望听到的声音，是一种
环境污染，会对人造成生理和心理的危害。

因而，对噪声的监测、诊断和控制
是多门学科尤其是机械工程研究的重要课题。

变速箱在工作中，内部构件，如齿轮、轴承等，不断产生振动冲击。

当
有故障存在时，其振动强度增大，噪声水平超标。

本文根据振动和噪声谱，利
用相干函数分析，结合实验手段，分析了一台BJ212 型变速箱噪声超标的原因。

1变速箱振动系统响应及相干函数
1.1振动系统响应分析
变速箱是由箱体、轴、轴承和齿轮等组成的，因此箱内存在多种激励。

变速箱振动与噪声故障的自动诊断方法讨论作者：闫明来源：《市场周刊·市场版》2017年第20期摘要：本文只从变速箱振动噪音超出标准分贝，出现故障，采用自动诊断方法进行智能分析与研判，得到解决方案。

关键词：变速箱；振动与噪音；自动诊断变速箱故障振动自动诊断方法——基于建档的时、频域得分法诊断变速箱故障的原理和方法：由于变速箱的典型故障振动特征的提取和分析的复杂性，变速箱故障的自动诊断和智能诊断是一项困难和艰巨的工作，本文提出的这种方法是在变速箱故障机理分析、典型故障特征提取和大量实践经验的基础上建立的基于建档的时、频域分析方法，可以比较有效地应用于自动诊断变速箱的典型故障，采用这种方法进行自动诊断的原理和实现方法如下所述：一、建立档案变速箱因其振动的频率成分很多，为了便于分析，首先要建立档案，在建立档案的基础上来判断是否存在故障，并进行相应的诊断。

下面以GADS变速箱故障自动诊断系统为例介绍建档的步骤。

机器特征和参数特征。

这一部分主要是建立各轴的转频、齿轮啮合频率、滚动轴承运动学和动力学特征频率，设置分析参数和路径，设置振动速度和加速度的报警系数，为建档和诊断建立相关的参数表。

机器特征参数输入：每轴输入一对啮合齿轮的齿数和最多四个滚动轴承型号。

显示特征频率值：由输入轴和输出轴转速和轴承库中的轴承参数计算轴、齿轮和滚动轴承的特征频率。

轴与齿轮工作频率：显示各轴的转速、转频和齿轮啮合频率。

轴承参数查询和修改：可输入、修改和查询滚动轴承的结构参数，计算内、外环固有频率。

显示和整理轴承库：按轴承型号整理和显示滚动轴承的结构参数。

分析参数设置：输入各测点的通道号、方向和采样频率，建档和诊断过程中的时域分析点数，频域和解调分析段数以及标尺，并设置加速度和速度的报警参数。

改变和创立测试机器有关的目录和文件：根据机器名称、档位和轴数建立分析数据目录、原始和结果数据目录。

在线或离线建档。

GADS系统在诊断前必须建立被诊断变速箱各测点的振动速度的时域信号和包络时域信号特征值的档案值，振动加速度的中高频频域档案（进行频谱分析，以确定变速箱正常工作时的各轴啮合频率及其四次以内的高次谐波的幅值，滚动轴承的内、外环的前四阶固有频率的幅值）、振动速度的低频档案（进行20倍细化频谱分析，以确定变速箱正常工作时的各轴转频及其四次以内的高次谐波的幅值，滚动轴承的内、外环、滚动体和保持架的前四阶通过频率的幅值），并建立相应的频谱界限档案，这些值和界限档案是故障诊断的基础。

浅谈汽车变速箱振动故障分析与诊断作者：丁帅来源：《科学与财富》2018年第16期摘要：本文主要围绕汽车变速箱振动故障分析以及诊断展开剖析，进而在此基础上对变速箱的实验检测系统组成、变速箱震动信号、变速箱壳体振动特征进行简要的分析。

笔者希望通过以上内容层面的分析，来提升汽车变速箱震动的安全性。

关键词：汽车；变速箱；震动故障；分析；诊断引言：汽车当中尤为重要的组装硬件是发动机与变速箱，在汽车行驶的过程当中不论一个受到损伤或者是产生故障，到会造成不可挽回的后果。

发动机故障是驾驶人员在驾驶之中的常见问题，进而对其故障的原由都较为了解，在发动机产生故障仪表盘的发动机故障灯就会点亮，进而提醒驾驶人员注意发动机的状况。

但是驾驶人员对于变速箱的接触较少，进而对其缺少应有的应对知识，此外汽车变速箱是一个自由多变的弹性震动系统，其在应用中易受到各种激振力，进而促使变速箱本身发生复杂振动，同时在高速的运作之下变速箱极其容易发生振动故障，基于此笔者对汽车变速箱振动故障进行分析于诊断。

1.实验测试系统组成汽车变速箱的测试系统如下图1所示，同时在测试系统当中对于测试点的布置要始终坚持以下几点原则：第一，能在变速箱产生形变之后，对实验频段之中所进行的全部模拟形态的变形特征进行阐述于展示；第二，确保变速箱振动故障位置的周围包含一个或者几个测试点，同时在变速箱壳体之上还要准确的放置63个结构点视作响应点，此外在每个不同的测试组当中包含10个结构点，每个结构点需要沿着横向、轴向以及垂向三个方向进行测量，共计算出190个测量振动信号数据，总共会被划分为七个小组同时进行有效的测试，而实际变速箱现场测试部分测试点分布如下图2[1]。

2.变速箱振动信号分析2.1 振动信号分析变速箱测试振动信号是利用的三维功率谱，这是由于三维功率谱在利用中能充分的了解振动能量的实际频率分布，进而在变速箱的基础上避免振动对其的干扰，并减少振动所产生的破坏能量。