1. 序言

變速箱中最主要的振動(dòng)源是齒輪嚙合，當(dāng)輪齒嚙合時(shí)，由于受到?jīng)_擊，齒輪會(huì)產(chǎn)生很大的加速度，從而引起周圍介質(zhì)的擾動(dòng)。但是齒輪嚙合是變速箱工作不可避免的，所以仿真工具需要有準(zhǔn)確的方法來(lái)預(yù)測(cè)作為振動(dòng)源的齒輪嚙合過(guò)程。一個(gè)基本要求是，對(duì)于給定的載荷條件，所使用的方法必須捕獲嚙合循環(huán)期間的剛度變化。然而，由于負(fù)載條件在運(yùn)行條件下發(fā)生變化，必須考慮變化的負(fù)載及其對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)柔性和軸承的影響。此外，齒輪微觀幾何、輪齒耦合效應(yīng)和齒輪毛坯設(shè)計(jì)等方面也起著至關(guān)重要的作用。

2. 噪聲是從哪里來(lái)的

電動(dòng)汽車真的很安靜嗎？分貝，就像所有的衡量標(biāo)準(zhǔn)一樣，是相對(duì)的。相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)（ICE），電動(dòng)汽車是安靜的。然而，音量并不是使噪聲不受歡迎的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)音調(diào)噪音的普遍看法是，比如齒輪嘯叫聲，它們非常煩人。ICE通常會(huì)淹沒(méi)這些聲音，但在電動(dòng)汽車中可以聽到齒輪的嘯叫聲。齒輪嘯叫聲的來(lái)源主要來(lái)自齒輪系嚙合周期中剛度的變化。

動(dòng)態(tài)仿真評(píng)估了剛度差異產(chǎn)生的振動(dòng)，并找到了具有最佳聲學(xué)性能的解決方案。振動(dòng)源和傳遞路徑的詳細(xì)模擬模型對(duì)于準(zhǔn)確表示傳輸?shù)穆晫W(xué)特性非常重要。為了優(yōu)化齒輪嘯叫的性能，許多行業(yè)引領(lǐng)者都專注于改變齒輪毛坯的設(shè)計(jì)。改變齒輪毛坯可能導(dǎo)致齒輪質(zhì)量的降低，其會(huì)通過(guò)其固有頻率影響整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

對(duì)于齒輪嘯叫問(wèn)題，西門子工程咨詢服務(wù)團(tuán)隊(duì)基于Simcenter 3D平臺(tái)提供以下解決方案。

基于在 Simcenter 3D 平臺(tái)中瞬態(tài)多體仿真的結(jié)果可以無(wú)縫地用于聲學(xué)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)下圖 中所示的由多體到聲學(xué)仿真的工作流程。在 Simcenter 3D 聲學(xué)中，多體負(fù)載直接可以轉(zhuǎn)換為頻域并自動(dòng)的映射到振動(dòng)聲學(xué)模型上，然后將它們用作結(jié)構(gòu)激勵(lì)，以計(jì)算變速箱輻射的外部噪聲。通過(guò)此過(guò)程，可以根據(jù)基本參數(shù)（例如微觀幾何修形）對(duì)NVH性能進(jìn)行優(yōu)化分析，例如傳輸到外殼附近麥克風(fēng)中的聲壓級(jí)。通過(guò)這種方式，整個(gè)傳輸路徑都集成在一個(gè)單一的集成環(huán)境中進(jìn)行模擬：從源（齒輪力）通過(guò)傳遞路徑（軸承和靈活的外殼結(jié)構(gòu)）到接收器（麥克風(fēng)陣列）?？梢暂p松分析這些子系統(tǒng)中的修改，以優(yōu)化設(shè)計(jì)并減輕NVH現(xiàn)象。

評(píng)估齒輪箱聲輻射的典型工作流程

3. 減少輪齒耦合效應(yīng)

齒輪傳動(dòng)是一種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，它包括齒輪、軸、軸承和其他輔助部件，用于傳遞動(dòng)力。然而，由于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和有限的計(jì)算能力，其精確的建模和分析仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。首先，要能準(zhǔn)確地構(gòu)建齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型，必須明確它的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。其次，需要建立有效的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述接觸力以及齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的復(fù)雜現(xiàn)象，例如輪齒耦合效應(yīng)。

Siemens PLM Software為齒輪箱快速建模開發(fā)了一種新的應(yīng)用：Simcenter 3D Motion Transmission Builder（Transmission Builder）。這個(gè)垂直應(yīng)用依據(jù)輸入的齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)可自動(dòng)生成仿真模型，徹底改變了建立變速器多體仿真模型的用戶體驗(yàn)，同時(shí)顯著提高了建模效率。工作流程如下圖所示。 

工作流程：根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)規(guī)范生成仿真模型

Simcenter 3D可以幫助工程師解決輪齒耦合效應(yīng)和其他關(guān)鍵現(xiàn)象。先進(jìn)的動(dòng)態(tài)有限元[FE]前處理器是Simcenter 3D Motion Transmission Builder產(chǎn)品模塊的一部分。它是一種快速計(jì)算工具，可以對(duì)動(dòng)態(tài)演變的結(jié)構(gòu)柔性效應(yīng)進(jìn)行建模。以一對(duì)輕量化齒輪毛坯設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單斜齒圓柱齒輪副為例，該工具對(duì)于建模至關(guān)重要，因?yàn)辇X輪毛坯的柔性會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)的接觸模式和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

如下圖所示，在極端情況下，齒輪會(huì)因產(chǎn)生的力而變形，從而導(dǎo)致不同的接觸模式和NVH（噪音、振動(dòng)和粗糙度）性能。基于Simcenter3D ，可以微調(diào)齒輪，使其具有最小的質(zhì)量和優(yōu)化的NVH性能。同時(shí)還可以繪制典型的NVH屬性，如軸承力、傳遞誤差和聲輻射功率，以確定齒輪固有頻率對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。這使工程師在沒(méi)有物理原型時(shí)，也能夠優(yōu)化齒輪毛坯設(shè)計(jì)，并進(jìn)行NVH性能分析。

下圖一對(duì)斜齒圓柱齒輪副中一個(gè)齒輪為柔性體，包括齒輪毛坯和輪齒。在一階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的RPM激勵(lì)下，柔性齒輪發(fā)生明顯共振。 

輕量化斜齒輪的變形云圖（放大圖）

下圖顯示了軸承力在齒輪嚙合階次上的階次截圖。 

 軸承力在齒輪嚙合階次上的階次截圖

4. 考慮齒輪柔性以正確模擬行星輪系的傳遞路徑

我們確定了結(jié)構(gòu)柔性對(duì)振動(dòng)源的影響是存在的、重要的，并且可以充分模擬。我們將齒輪作為振動(dòng)源，但如果齒輪不是唯一的振動(dòng)源呢？如果傳遞路徑也起到作用怎么辦？

行星齒輪傳動(dòng)與普通齒輪傳動(dòng)相比較，具有質(zhì)量小、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比大等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車、飛機(jī)和船舶等各行各業(yè)。在行星齒輪箱中，齒圈一般固定不動(dòng)，太陽(yáng)輪、行星輪和行星架旋轉(zhuǎn)。在某些情況下，齒圈的柔性對(duì)輪齒接觸力和傳遞到周圍結(jié)構(gòu)的力都有重大影響。

此外，當(dāng)行星齒輪經(jīng)過(guò)時(shí)，靠近齒圈的殼體結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)可能會(huì)影響振動(dòng)信號(hào)。為了確保在最終設(shè)計(jì)中考慮到這些因素，需要采用建模方法將殼體齒圈考慮成柔性部件。

5.案例展示

下面的示例演示了載荷傳遞路徑對(duì)振動(dòng)的影響，以及經(jīng)過(guò)的行星如何影響軸承座安裝點(diǎn)的反作用力。這是針對(duì)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱[1]的分析結(jié)果，結(jié)果顯示只有在模型中考慮包括齒圈柔性，才能檢測(cè)到行星通過(guò)頻率對(duì)約束邊界反作用力調(diào)制。如下圖所示。 

外殼安裝點(diǎn)的反作用力

另一個(gè)令人興奮的結(jié)果是變速箱在運(yùn)行過(guò)程中的變形。下面的視頻顯示了變速箱的變形。為了增加可視化效果，該變形通過(guò)參數(shù)設(shè)置被放大。這使我們能夠清楚地看到行星輪和齒圈的相互作用下的齒圈變形模式，以及齒圈變形后的接觸力的變化。所看到的齒圈三角形變形是行星系統(tǒng)的典型變形模式，它會(huì)顯著影響行星輪和齒圈之間的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及由此產(chǎn)生的接觸模式。齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的這種變化對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率密度具有顯著影響。

齒圈變形會(huì)導(dǎo)致嚙合關(guān)系發(fā)生變化。這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)載荷、平移速度和摩擦力，如以下視頻所示。這些特性的變化會(huì)導(dǎo)致功率損耗和振動(dòng)增加，貢獻(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)中的大部分噪聲。在極端情況下，這些變化可能會(huì)導(dǎo)致永久性損壞。 

6. 結(jié)論

為了找到齒輪箱的最佳聲學(xué)性能，一種準(zhǔn)確的模擬方法來(lái)評(píng)估殼體和齒輪振動(dòng)是非常重要的。本文中討論的高級(jí)動(dòng)態(tài)FE前處理器確實(shí)是獨(dú)一無(wú)二的。它的獨(dú)特性在于它能夠考慮和模擬齒輪變形和動(dòng)力學(xué)性能，并將其特性耦合到系統(tǒng)中以精確預(yù)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)。它能夠考慮以下因素：

• 定制的齒輪毛坯設(shè)計(jì)

• 不對(duì)中、微觀修型和輪齒耦合效應(yīng)

• 齒輪固有頻率引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)中的共振

• 齒輪變形對(duì)結(jié)構(gòu)傳遞路徑的影響