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某乘用车变速器壳体的模态优化分析郑永杰

发表时间：2021/7/26 来源：《基层建设》2021年第14期作者：郑永杰

[导读] 利用hypermesh、ABAQUS软件分析某乘用车变速器壳体的振动模态求解其固有频率，并根据分析结果有针对性采取措施以改善壳体低阶模态易与发动机低频激励引发共振的问题

        浙江零跑科技有限公司浙江杭州 310051
        摘要：利用hypermesh、ABAQUS软件分析某乘用车变速器壳体的振动模态求解其固有频率，并根据分析结果有针对性采取措施以改善壳体低阶模态易与发动机低频激励引发共振的问题。
        关键词：变速器壳体，模态分析，约束位置

        1 引言
        随着汽车技术的发展，人们对汽车品质的要求不再是跑得动，而更倾向于关注汽车的驾驶和乘坐舒适性。相关理论和实践表明：汽车的振动、噪声主要来源于动力传动系统，而变速器作为汽车传动系统的重要构成部分，其噪声和振动对整车的影响不容忽视，因此降低变速器的振动和噪声对于提高整车的NVH性能显得极其重要[1]。
        基于有限元仿真技术对变速器壳体进行模态分析，根据分析结果优化改进壳体结构、更换材料[2-4]是常用的优化变速器壳体振动模态的方法。在实际加工生产中，无论是更改结构或者更改材料，都得重新试制、重新验证，这意味着延长生产周期，这对生产周期不利。本文以有限元仿真为基础，寻求可行的解决方案。
        2 原结构模态分析
        本文以一款乘用车用变速器为研究对象，在 CATIA软件中完成壳体三维模型，转为stp格式导入Hypermesh中进行前处理，最后导入ABAQUS完成求解。壳体材料ADC12，弹性模量70000MPa，密度2.7E-09ton/㎜³，泊松比0.33。与发动机连接的前壳体离合器端面的发动机配装孔零位移约束，前后壳体用螺栓连接。
        根据经验值，当箱体在动载荷的冲击下产生振动时，前几个低阶模态发生共振是个大概率事件，高阶模态对箱体的动态性能影响很小[5]。所以本文仅提取前6阶模态进行分析。限于篇幅，仅呈现前4阶振型图（见表1）。
        表1 原结构模态振型图

一阶模态：绕Z轴上下振动二阶模态：绕Y轴左右摆动

三阶模态：绕Z轴左右摆动                  四阶模态：绕Z轴扭动

               由于发动机振动激励频率是连续可变的，在设计变速器壳体时不可能让其固有频率避开所有的发动机的激励频率，但可以使其尽可能避开发动机的较低阶激励频率。综合各种因素分析可知大致的发动机低频振动范围30Hz-500Hz[4]。
        由分析结果得知一阶的固有频率进入了发动机的低频激励范围，易引发共振，二阶及其以上固有频率避开了发动机的低频激励范围，因此需要对一阶模态进行优化改进。
        3 壳体优化分析
        文献[6]通过理论验证了约束位置的改变影响振动模态。由此大胆假设改变变速器与发动机之间的连接关系以改善壳体振动模态。该变速箱前壳体上预留14个连接孔以适配不同的发动机，其中2个是起电机安装孔、5个是2T发动机配装孔、5个是1.8T发动机配装孔，剩余2个为装配共用孔，详见图5。因起电机安装在变速箱侧，故实际与发动机连接的只有7个孔。
        综上所述，可以利用起电机安装孔达到改变边界条件的目的。加长起电机连接螺栓，使起电机通过变速器固定到发动机上，相当于增加变速器和发动机之间的固定约束点。因此，设计了三个优化方案：方案一将起电机安装孔7零位移约束；方案二将起电机安装孔8零位移约束；方案三将两个起电机安装孔零位移约束。

        图5 前壳体离合器端面孔位分布图
        分析结果数据见表2，数据显示修改方案确实可行，变速器壳体的低价模态固有频率都高于原方案并高于600Hz，避开了发动机的低频激励范围，且方案三效果最佳。
        表2 箱体前6阶固有频率
        阶次原方案方案一方案二方案三
        1 559.2 605.23 618.58 632.17
        2 646.32 675.35 678.64 684.02
        3 1093.8 1123.2 1138.1 1148.5
        4 1175.4 1223.9 1225.4 1239.5
        5 1327.3 1359.3 1369.6 1382.7
        6 1518.1 1590.4 1597.4 1609.4
        注：频率单位为Hz。
        4 结论
        分析结果显示，通过增加变速器与发动机之间的固定约束点可以有效改善变速器壳体的振动模态。
        参考文献：
        [1]郭明，张教超，黄森.某重载汽车变速箱的振动模态分析[J].汽车零部件，2014（7）：40-42.
        [2]周云山，吴云兵，傅兵.纯电动汽车两档变速器壳体强度分析与改进[J].计算机仿真，2015.32（1）：179-183.
        [3]田增强，郑德聪，郭玉明，冯华.变速器壳体静力分析及模态分析[J].中国农机化，2013（4）：-178-181.
        [4]袁敏刚，陈晓峰，尹晓飞.基于模态分析的乘用车变速器壳体振动优化设计[J].机械工程与自动化，2012（6）：80-82.
        [5]范江东，潘宏侠.齿轮箱箱体的有限元模态与试验模态分析[J].煤矿机械，2010，31（5）：92-93.
        [6]胡海昌，刘中生等.约束位置的修改对振动模态的影响[J].力学学报，1996，28（1）：23-32.