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原文传递发动机与变速箱耦合系统非线性动力学及NVH性能研究

论文题名：	发动机与变速箱耦合系统非线性动力学及NVH性能研究
关键词：	发动机;变速箱;耦合系统;非线性动力学;振动噪声
摘要：	汽车在中、低速行驶时，发动机及动力传动系统是主要噪声源，随着发动机减振降噪技术和新能源汽车技术突飞猛进的发展，发动机的噪声得到有效控制与改善，而动力传动系统中变速箱的噪声在汽车整体噪声中所占的比例相对提高，尤其以手动变速箱的齿轮敲击及啸叫噪声最受关注。因此，如何有效地降低变速箱的敲击及啸叫噪声，提高汽车声品质显得格外重要。　　论文从手动变速箱的噪声分类、齿轮啸叫及齿轮敲击噪声产生机理的全面阐述分析入手，以一种典型的四缸四冲程汽油机与手动变速箱为研究对象，采用理论分析、虚拟仿真技术以及试验验证对曲轴系与变速箱齿轮传动系的耦合多体动力学、齿轮敲击与啸叫特性、变速箱动态特性、振动频率响应、结构传递噪声、声透射问题进行了系统研究;最后，采用多目标拓扑优化、形貌优化等现代设计方法对变速箱壳体以及缸盖罩等典型的发动机薄壁件进行了低噪声结构优化。本文围绕这些问题开展的具体研究工作内容归纳如下: 　　1)、将等效有限平板和脉动球源的声辐射比的平均值作为变速箱的声辐射比参数，并利用表面振速法试验，更加准确地计算出不同工况下变速箱的表面辐射噪声;采用声强法测试得到某B5A变速箱上端面的声强分布云图，确定了噪声贡献量较大的区域;阐述阶次谱分析的优点及基本原理，利用该技术在试验台架上对某MT452变速箱进行了反拖啸叫测试，找出啸叫噪声特征阶次，确定啸叫噪声根源为主减速齿轮副。　　2)、由于曲轴系自身存在扭振及转速波动问题，并且是齿轮传动系的重要外部激励源，而变速箱齿轮传动系统存在齿轮啮合冲击振动，它们两系统之间的运动与动力传递并不一定是完全解耦的，以往的研究没有考虑这种耦合作用，因此，本文建立综合考虑离合器扭转刚度、齿侧间隙、轴的扭转刚度，齿轮时变啮合刚度、齿轮阻滞力矩等非线性因素的发动机曲轴系与变速箱齿轮传动系耦合的多体动力学模型，再通过联合仿真的方法对完全耦合的模型进行多体动力学计算。同时，采用传统建模方法，分别建立曲轴系和齿轮传动系多体动力学模型并进行计算，重点分析两个系统的耦合作用对发动机扭振和系统动力学的影响。　　3)、通过振动噪声时域及频谱特性试验，分析了某手动挡试验车怠速空挡齿轮敲击噪声;基于上述耦合多体动力学模型，以敲击指数为齿轮敲击强度评价标准，探讨揭示了离合器扭转刚度、齿侧间隙、齿轮阻滞力矩非线性因素与变速箱齿轮敲击特性的关系，研究表明:通过多体动力学仿真技术可以得到齿轮最佳阻滞力矩参数从而降低齿轮敲击强度;设计离合器扭振减振器时，在满足传递扭矩和可靠性等要求的前提下，通过适当减小离合器扭转刚度可以改善齿轮敲击;在允许范围内，适当减小齿侧间隙也有利于减少齿轮敲击振动。　　4)、针对变速箱齿轮啸叫现象进行了仿真预测与试验研究。以匹配B5A手动变速箱的某动力总成为研究对象，建立完整的有限元模型，进行变速箱动态特性有限元分析和模态试验验证;随后，建立动力总成的多体动力学模型，主要考虑发动机燃气爆发压力和变速箱轴承动态载荷，虚拟预测1000～4000r/min转速域内变速箱壳体的振动响应，得到齿轮啸叫特征阶次;同时，针对搭载该变速箱的某试验样车进行啸叫噪声道路试验，得到的齿轮啸叫噪声主客观评价结论一致，并且验证了变速箱齿轮啸叫振动响应虚拟预测结果。　　5)、分别以机械、空气声作为激励进行变速箱振动噪声分析。基于齿轮传动系多体动力学、有限元-边界元法分析了变速箱结构传递噪声;基于结构-声耦合模型进行了变速箱的透射噪声及隔声性能分析，同时结合声强及表面振动速度法试验探讨了变速箱结构传递噪声及透射噪声特性。　　6)、阐述了发动机及变速箱结构减振降噪的基本思路和结构优化设计方法，并以B5A手动变速箱为例，在不改变齿轮传动系统设计参数的条件下，应用考虑多阶模态频率的多目标拓扑优化方法对变速箱壳体进行合理优化布置结构加强筋，达到降低变速箱表面振动辐射噪声的目的;以缸盖罩为发动机薄壁件代表，采用同时考虑动刚度及多阶模态频率的多目标形貌优化的现代设计方法进行低噪声优化设计，降低其表面辐射噪声。
作者：	王连生
专业：	车辆工程
导师：	郝志勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文