汽车变速器工作模态分析

汽车变速器工作模态分析

0车载模态分析技术轻卡动力整体由两个部分组成：发动机和电机。变速箱是汽车传动系统的主要组成之一,是用来改变转速和传递动力的常用机械设备,其运行状态对整机的工作性能有着至关重要的作用。汽车在行驶过程中,动力总成的安装结构对变速箱的振动形态和动态疲劳影响很大。由于变速箱本身工作环境恶劣,故容易出现损坏和发生故障。传统的实验模态分析方法是建立在系统输入输出数据均已知的基础上,利用激励和响应的完整信息进行参数识别,然而这些方法在具体应用时还是存在局限性,因为对于某些实际工程结构,要获得输入激励的完整信息是难以实现的。采用工作模态分析技术可以避免对输入信息的采集,这样就解决了传统分析方法中很多状况下输入不可测问题。某公司轻卡变速箱壳体开裂给该公司带来了直接的经济损失,有鉴于此,本文中我们对变速箱进行了车载工作模态分析,为从变速箱完整的动态特性方面分析判断箱体破损的根本原因,提供理论及技术支持。壳体开裂照片如图1所示。1运行模型试验过程1.1发动机及车架工作模态分析测试实验分3部分进行,即在正常车行状态下,对空车、车载2t、车载3t时的变速箱、发动机及车架做工作模态分析。图2为搓板路况及障碍路况现场测试图。1.2结构特点之实际情况表2布置测点时主要考虑以下3个原则:(1)能够充分表征实验分析频段内的各阶振型;(2)根据结构特点之实际情况;(3)保证变速箱壳体开裂位置附近要有测点布置。根据以上测点布置原则,此次测试在发动机、变速箱动力总成上一共布置63个测点。测试实验中各测点方向设置及部分测点位置如图3所示,水平方向为X轴,垂直方向为Y轴,轴向方向为Z轴。1.3测试系统及信号采集变速箱车载工作模态分析测试实验共分六组完成,每一组测试时仅仅变换传感器位置或类型,采样参数不做变化,采样频率为10.24kHz,滤波方式为低通滤波,截止频率为3.9kHz。除第六组测试外,每组测试均采集34路信号,包括1路参考响应信号及11个三向加速度计33路加速度响应信号,第六组测试信号包括第六组测试信号包括第六次参考响应信号、相应的9个加速度计27路响应信号、2路板簧振动信号、2个双向应变计的4路应变信号及1个声信号。测试系统框图如图4所示。2工作模态分析六组测试分别采集了空车、车载2t、车载3t时,在平直公路上五挡60km/h工作时、在搓板路和障碍路上工作时的各测点振动信号。下面以车载2t五挡60km/h搓板路工作时,对实验数据进行分析。由于实际操作误差等因素,轻卡所有运行过程并非绝对平稳,所以工作模态分析时,分析数据从原始数据中截取0.5~1s,近似认为其运行过程是平稳随机的。图5为截取的额定载荷状态下38号测点信号时、频图。从轻卡在5挡60km/h工作时的功率谱密度曲线上来看,载重2t工况下的频域曲线峰值主要集中于3个频带处:低频带0~300Hz、中间频带500~700Hz及高频带1200Hz以上,结合车载变速箱实验模态分析结果及齿轮啮合特征频率表,判断低频带0~300Hz主要表征的是箱体固有频率;中频带500~700Hz处主要是由齿轮啮合导致的箱体强迫振动频率;高频带处成分复杂,包括箱体固有频率、齿轮啮合频率与轴承工作频率的调制频率、齿轮啮合频率的倍频成分及其他噪声成分。3模态振型及其约束实验对额定车载2t的轻卡在平直公路上以5挡60km/h行驶时的发动机、变速箱动力总成进行了工作模态测试分析实验。实验利用随机子空间法(SSI)在1500Hz以下拟合出25阶工作模态,其中700Hz以下包含18阶,表1列出了各阶模态参数并对前10阶模态振型做了简单描述,图6为轻卡动力总成的约束模型,此模型是在DASP软件中建立,图7为前5阶模态振型的轨迹显示图。矩阵关于主对角线对称,主对角线元素均为1。矩阵元素的行号和列号分别代表了两阶模态,其大小表示了这两阶模态振型的正交性,为归一化后的两阶模态振型标量乘积,值越小表示正交性越好。理想的模态分析结果的振型相关矩阵除主对角元素外,其他元素的值都很小,接近于0。从MAC模态矩阵校验图上来看,除个别相邻两阶模态标量乘积较大之外,其他各阶模态正交性良好。4动力总成模态频率第1阶变速箱壳体裂纹与模态振型之间有着必然的联系,下面以车载2t5挡60km/h时发动机、变速箱动力总成模态频率第1阶70.6Hz为例分析。第1阶模态频率所对应的模态振型为发动机、变速箱中后壳左右(水平)摆动,且其振动幅度远大于其他频率下变速箱壳体的振动幅度,在这种振型下,极易造成箱体中、后壳疲劳失效以致产生横向裂纹。变速箱在工作时应极力的避免此频率的振动源。5改进结构的改进为了提高轻卡总成的刚度,使其模态频率后移,振动频率增加,我们将实际结构中的四点支撑改为如图9所示的六点支撑结构,其中建模所用软件为SOLIDWORKS。修改支撑方式后,轻卡总成的模态频率明显增加,表2列出了修改支撑方式后轻卡总成的前5阶模态频率。6国内法上振动源集中而集中从车载变速箱工作模态分析结果来看,在模态频率70.6Hz、121Hz、183Hz以及340Hz左右时,变速箱的模态振型集中表现为前壳、中壳、后壳上下、左右摆动,前后伸缩、扭转伸缩模态,且箱体振动幅度远大于其他频率下的振动幅度,极易造成压铸铝