中文摘要：

车辆变速箱是传递动力的关键部件，转速高、结构复杂且箱体属于薄壁结构，在多种激励源作用下，始终存在轴系旋转与箱体弹性变形的耦合，产生耦合振动，甚至导致部件的疲劳破坏。而车辆变速箱系统在动力学建模和求解过程中，激励作用机理复杂，考虑箱体和轴系耦合效应的非线性系统建模也很复杂。因此，针对车辆变速箱的实际受力状态，建立包含弹性耦合效应的变速箱刚柔耦合动力学模型，研究变速箱系统的非线性动力学仿真方法和实际动载荷的变化特性，是获取系统真实工作状态的关键。本项目具体研究内容包括1)车辆变速箱振动激励作用机理和数值仿真；2) 变速箱轴系和箱体刚柔耦合动力学模型研究；3) 变速箱系统耦合振动载荷特性理论和试验研究。通过本项目的研究，探明变速箱轴系与箱体耦合振动的机理，揭示载荷特性的变化规律和弹性效应的影响规律。本项目的研究成果将为车辆变速箱疲劳设计、寿命预测和动态优化提供理论基础。

结论摘要：

针对车辆变速箱这一复杂动力学系统，利用机械阻抗法建立了子结构的响应与模型参数之间的模型，揭示了变速箱在系统内、外部激励作用下轴系和箱体耦合振动机理，提出了采用谱半径和耦合阶数评价耦合强弱的方法。将路面不平度作为随机激励源，建立了整车—路面动力学模型，提出了从路面不平度到垂直激励和扭转随机激励的转换方法。基于齿轮啮合理论分析，将齿轮转速波动和齿轮中心横向位移变化引入到时变啮合刚度的计算模型，提出了齿轮啮合反馈力学模型，模型中包含了转速波动和轴系横向位移的影响，实现了齿轮啮合力与轴系状态的实时反馈计算，通过仿真揭示了系统状态对齿轮啮合刚度、阻尼的影响规律。根据滚动轴承的实际工作状态，将轴承弹性接触特性抽象为刚度、阻尼因素，基于理论分析建立了轴承润滑接触的动力学模型。基于单滚动体-滚道接触刚度和阻尼公式，考虑载荷和转速对轴承刚度、阻尼的影响，推导得到了滚动轴承整体时变刚度和阻尼的数值计算方法，实现了轴承动态参数在齿轮系统动力学方程的反馈计算。研究了变速箱箱体薄壁复杂结构预试验分析方法，提出了模态置信判据准则、各阶振型的相关性、驱动点留数计算相结合优化模态试验测点和激励点的方法，大大减少了模态测试的工作量，同时可更充分地激起结构的各阶模态，保证了测试精度。利用多体动力学中的线弹性动力学理论和相对节点坐标方法，结合动态有限元技术与子结构综合法，综合考虑传动轴和变速箱体的弹性效应，建立了车辆变速箱轴系和箱体结构刚柔耦合的多体动力学模型。通过数学方法描述了变速箱箱体和齿轮-轴承-轴系统的耦合关系，引入齿轮时变啮合刚度、综合传动误差、啮合阻尼和齿侧间隙、轴承非线性刚度和阻尼等非线性因素，提出了基于变速箱刚柔耦合多体动力学模型与齿轮、轴承非线性动力学数字仿真模型的变速箱非线性刚柔耦合动力学联合建模的方法。针对多源激励条件下变速箱非线性刚柔耦合动力学方程组，采用广义分块积分法，实现了耦合动力学模型的求解，仿真得到了系统非线性载荷和位移特性的变化规律，获取了箱体弹性变形和轴系弹性对变速箱轴系动态特性影响规律，揭示了箱体和轴系通过轴承弹性耦合作用机理，试验验证表明了耦合模型的正确性，为实现变速箱的动强度设计提供了理论和技术基础，也为复杂系统动力学耦合建模和仿真提供了一种新方法。