近几年，2002 年 Grzegorz Litak 等研究了轴是弹性时，齿轮副啮合的非线性振 动问题，研究了对单自由度增加附加自由度时可能产生的不同动态特性。马自达动力 公司 Yasunori Kanda 等研究了用齿轮啮合振动分析法分析自动变速器的啮合力。对于 薄的斜齿轮，试验分析法表明，齿轮的振动是影响齿轮噪声的主要原因，齿轮啮合力 又是其中最重要的原因，改造后的齿轮振动噪声明显降低。D.Richards，D.J.Pines 用 passive 方法来降低齿轮啮合接触力所产生的振动。Manish Kulkarni 等研究了双 离合器变速器换挡动力学及其控制。A. Kahraman 等用集中质量法建立了十二自由度三 维动力学模型，用有限元法建立了轴、轴承的模型，最终得出系统的振动方程，并进 行了试验验证，找出了影响动态特性的几个重要的参数。同时，轴的动态特性对齿轮 的振动噪声也是不容忽视的，V.Kartik 等研究了齿轮轴的振动在齿轮振动和噪声中的 影响。
1.2 国内外研究现状
变速器振动产生的主要原因由齿轮的传动误差及换档冲击引起的，同时也有轴和 轴承的弹性变形引起的振动。一对齿轮在啮合传动时，由于存在啮合间隙，因而产生 啮合振动。除啮合振动以外，当一对轮齿进入啮合时，会产生频率较高的高次谐波振动。 当齿轮在换档时，由于换档冲击力也会引起变速器的振动。齿轮啮合有单级啮合和多 级啮合，有单齿啮合和多齿啮合的情况。为了降低振动，我们可以从振动传递路径和 齿轮的啮合力等方面考虑[1]。
指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：
该课题从某汽车 5 挡变速器改进着手，学习并掌握 Catia 三维建模软件和 Ansys 有 限元分析软件，对此款变速器壳体进行了逆向测绘与仿真分析，从而指导实际工程中 变速器的生产和设计。研究内容具有一定的深度和广度，技术路线清晰，安排合理， 同时工作量满足要求，开题准备充分，经努力能完成任务。
2.2.2 关键技术与重点难点 ①实体测绘能力。对 5 挡手动变速器壳体的建模，实体测绘，对于变速器壳体的 轮廓尺寸很难准确的获取，尤其是曲面轮廓。 ②CATIA 三维建模软件的使用，对不规则体（特别是曲面部分）建模存在很大的难 度，需要好好的研究。 ③ANSYS 有限元分析软件中网格划分、模态分析和应力分析三个模块的使用，获取 在各个模块在分析的结果，并匹配整个变速器的试验模态分析结果，验证其壳体数值 模态分析结构的正确性。
1.1 本课题研究背景
汽车的发展对人类产生了巨大的影响。由于汽油机转速高、扭矩小，而行驶速度 的变化范围广，因此需要变速器来进行减速增距，以保证汽车在各种道路条件下都能 够正常行驶。汽车变速器作为传动系统总成关键，主要改变传动比，扩大驱动轮转矩 及转速的变化范围，借此来适应不断变化的行驶条件（如起步、加速、上坡等），并使 发动机在最有利的工况下工作（功率较高而油耗低），它是影响汽车性能的关键部件， 其齿轮传动系统性能的好坏直接影响到汽车各项性能指标[1]。而作为安装变速器各个 部件的基础件，变速器壳体起着安装、保护齿轮传动机构和容纳润滑油的作用[2]。因此， 变速器壳体应具有良好的动态特性与足够的结构强度，才能保护好壳体内部的零部件， 保证动力传动系统的正常运转。利用三维建模软件建立变速器壳体实体模型，采用有 限元方法对变速器壳体的动态特性与结构强度进行分析，施加正确的边界条件，可以 准确的计算出变速器壳体各个部分的强度及其应力分布情况[4]。利用所得的壳体模态 分析与应力分析结果，可提取其结构的动态固有频率与振型及壳体在不同工况下的应 力分布情况。将这些数据作为其改进优化的参考依据，实现变速器壳体的结构优化。
运用弹性接触有限元动态分析方法，建立了三维齿轮副啮合传动系统的有限元分析模 型，并对该模型进行了瞬态模拟计算[10]。
1.3 课题研究目的和意义
变速器在正常工作过程中，壳体因齿轮传动承受较大的载荷，可能产生较大的变 形和应力。如果变速器壳体的刚度与强度不够，将会导致壳体产生裂纹或变形，这会 造成齿轮和轴的安装误差，再加上齿轮和轴受载变形，破坏了齿轮理论上正确的啮合 条件，降低了齿轮传动精度，引起齿轮传动系统的振动、冲击和噪声、齿轮过早疲劳 破坏，导致整个变速器的性能下降。因此，在变速器设计时常常通过加大变速器壳体 的厚度来提高其强刚度，但同时也加大了变速器壳体的自重，进而增加了整车质量， 影响汽车的动力性和经济性。故对其材料的选择、加工精度和工艺流程的设计对能否 设计出合适的变速器壳体至关重要。
查孔。 80 年代，国外学者将结构优化设计技术和刚柔体耦合动力学仿真技术结合起来实
现变速器壳体轻量化，分析变速器壳体在动态载荷下结构刚强度。根据分析结果，对 壳体进行整体或局部改进，达到优化设计的目的。 国内汽车变速器壳体结构优化设计 方法的研究刚刚开始，传统的变速器壳体设计多采用有限元分析和经验设计相结合的 方法。如赵丽娟，刘宏梅等人先利用软件 Pro/E 建立了矿用减速壳体的三维实体模型， 再利用 ANSYS 软件对壳体进行结构刚强度分析，并找出了危险区域[3]，对壳体结构进行 再设计，这种优化方法效果显著，使壳体重量和材料成本均有降低。
在国外，日本 UmeZawa 教授在对直齿轮动态特性、斜齿轮的三维变形刚度、误差 的影响等方面进行探讨之后，研究了斜齿轮传动副的振动问题。1991 年，日本学者 Tsuta 研究了斜齿轮传动的动态特性，并考虑了轴和轴承的刚度对系统动态特性的影响。 Kahraman 建立了斜齿轮副线性动力学模型，着重分析了轴向振动对齿轮副动态特性的 影响。国内在单自由度啮合齿轮副动态特性的研究方面，也做了大量的工作。西北工 业大学的方宗德教授等研究了斜齿轮传动副的动态特性[9]。1992 年，刘更教授分别研 究了齿轮副各项参数对外啮合和内啮合斜齿轮传动系统振动特性的影响。
①研究汽车变速器传动系统振动产生的机理、振动的传递路径，分析变速器在不 同档位下产生的振动对其壳体的影响。
②用三维建模软件 CATIA 对变速器壳体建立了三维实体模型；并将变速器实体模 型导入 Ansys/Workbench 软件中建立有限元模型，利用 I-DEAS 自由网格划分（free meshing，FE）功能对变速器壳体进行有限元网格的划分，并进行数值模态分析（自由 模态与约束模态）和应力分析。
[10]常志权.汽车变速器齿轮啮合瞬态性能分析研究，［D］，重庆:重庆大学，2005
2.毕业设计（论文）任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：
2.1 研究内容
以某车 5 手动变速器为研究对象，采用数值模态分析的研究方法，利用大型有限 元分析软件 ANSYS 对变速器壳体进行模态分析，并用其结果验证有限元模型的正确性。 主要工作如下：
2.2 拟采用的方法
2.2.1 技术路线 ①查阅文献 对本课题相关论文、期刊和教材的阅读理解，吸收相关的理论知识和方法，确定 论文大纲内容。
②三维实体建模 运用 CATIA 三维建模软件对变速器壳体进行实体建模。采用专业工具对此款变速 器壳体进行测绘，数据采集完后，利用 CATIA 三维建模软件进行实体建模。 ③建立有限元模型 将建好的三维模型导入到ANSYS有限元分析软件中，建立有限元模型。 ④ANSYS有限元分析 运用ANSYS中的网格划分、模态分析和应力分析三个模块对有限元模型进行各个模 块的运用，获得在各个模块下的分析结果。 ⑤验证有限元分析结果 结合整个变速器试验模态分析的结果和其壳体数值模态分析的结果，验证壳体有 限元模型的正确性。 ⑥优化 提出一套优化方案，对此款变速器进行优化。
变速器壳体的发展随着变速器整体轻量化、紧凑化的趋势，在不断降低重量的同 时也变的越来越紧凑，节省空间。其材料一般使用铸铝，采用整体式壳体，与上盖成 一体。其优点是变速器前后轴承孔的同心度容易保证，装配、检查方便，使汽车满足 轻量化的要求。壳体也应要有足够的刚度，用来保证轴和轴承工作时不会倾斜，故在 壳体上应设计加强筋。为了注油和放油，在变速器壳体上设有注油孔和放油孔。为了 保持变速器内部为大气压力，在顶部开有通气塞，壳体
机械与汽车工程 学院 车辆工程
专业
设计（论文）题目 ：
某汽车五档手动变速器壳体建模与结构特性研究
学生姓名
学号
起迄日期
2015 年 3 月~6 月
设计地点
福建工程学院
指导教师
洪亮
2015 年 3 月 05 日
毕业设计（论文）开题报告
1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写文献综述。
学院意见：
指导教师___________ 年月日
院长___________ 年月日
说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材 料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，经导师签署意见及学院审查后生 效。
③利用其他同学对此款变速器所做的试验模态分析结果，与内容②中 Ansys/Workbench 软件对其壳体数值模态分析的结果进行对比，验证壳体有限元模型的 正确性。
④结合变速器壳体数值模态分析、应力分析以及试验模态分析的结果找出在变速 器正常工作情况下壳体应力较集中及振动较大的部位，提出优化方案，对原有模型进 行优化，使此款变速器达到更好的工作状况。
1.4 参考文献
[1]李颖.变速器壳体建模与分析[D].河北工业大学硕士学位论文，2010,4. [2]高娟.汽车变速箱体结构强度分析与优化设计[D]吉林大学硕士学位论文，2011 [3]纪兵兵、陈金瓶.ANSYS ICEM CFD 网格划分技术实力详解[M].中国水利水 电出版社.2012.1. [4]康一坡、霍福祥、魏德永等.变速器壳体强度有限元计算及结构改进分析[J]. 汽车技术，2011（10）：28-31 [5]北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0 结构分析快速入门、进阶与精 通[M].电子工业出版社.2014.4 [6]闵海涛、高娟、马天飞.汽车变速器箱体结构强度分析与优化设计[J].中国机 械工程，2012，23（20）：2014-2019 [7] Ashwani Kumara,Himanshu Jaiswala,et al. Free Vibration Analysis of Truc k Transmission Housing Based on FEA[J].Department of Mechanical Engineering,20 14:1588-1592 [8]DING Yongxiang,XIA Jnchen,et al. Fully automatic generation of finite ele ment mesh[J].Progress in Natural Science,1993,(5):93-98 [9]方宗德，沈允文.斜齿轮传动动态特性的理论与试验研究[C]，中国机械工程学 会第二届齿轮动力学会议论文集，1991：52-59