1. 序言

变速(su)箱中最主要的(de)振动(dong)源(yuan)是齿(chi)轮(lun)啮合，当轮(lun)齿(chi)啮合时，由于受(shou)到冲击(ji)，齿(chi)轮(lun)会(hui)产生(sheng)很大(da)的(de)加速(su)度，从而引起周围介质的(de)扰动(dong)。但是齿(chi)轮(lun)啮合是变速(su)箱工作不可避免的(de)，所(suo)以仿真工具(ju)需(xu)要有准确的(de)方法(fa)来预测(ce)作(zuo)为(wei)振动源的齿轮啮合过(guo)程。一个(ge)基本(ben)要(yao)求是，对于给定的(de)载(zai)荷条(tiao)(tiao)件，所使(shi)用的(de)方法(fa)必须捕(bu)获啮合循(xun)环期间的(de)刚度(du)变(bian)化(hua)。然而，由于负载(zai)条(tiao)(tiao)件在运行条(tiao)(tiao)件下发生变(bian)化(hua)，必须考虑变(bian)化(hua)的(de)负载及其对齿轮箱结(jie)构柔性和轴承的影响(xiang)。此外，齿轮微观几何、轮齿(chi)耦合(he)效应和齿(chi)轮(lun)毛(mao)坯设(she)计等(deng)方面也起着至(zhi)关重(zhong)要的(de)作(zuo)用。

2. 噪声是从哪里来的

电(dian)动汽车(che)真(zhen)的很安静吗？分贝，就像所有的衡量标(biao)准一样，是相对的。相对于内燃机（ICE），电动汽车(che)是(shi)安静的。然而，音量并(bing)不(bu)是(shi)使噪(zao)声不(bu)受(shou)欢迎的唯一标(biao)准。对音调噪(zao)音的普(pu)遍看法是(shi)，比如齿轮啸(xiao)叫声，它们非常烦人(ren)。ICE通常(chang)会淹(yan)没这些声音，但在电动汽车中可以(yi)听(ting)到齿轮的啸(xiao)叫声。齿轮啸叫声的(de)来(lai)源主要来(lai)自齿轮系啮(nie)合周期中刚度的(de)变化(hua)。

动(dong)态仿(fang)真评估了(le)(le)刚(gang)度差异(yi)产生的(de)振动(dong)，并找(zhao)到了(le)(le)具有最(zui)佳声学(xue)性能(neng)的(de)解决方案。振动(dong)源和传递路径的(de)详(xiang)细模(mo)拟(ni)模(mo)型对于准确表示传输的(de)声学(xue)特性非常重要。为(wei)了(le)(le)优化齿(chi)轮(lun)(lun)啸(xiao)叫的(de)性能(neng)，许(xu)多(duo)行(xing)业(ye)引领者都专注于改变齿(chi)轮(lun)(lun)毛坯的(de)设(she)计(ji)。改变齿(chi)轮(lun)(lun)毛坯可能(neng)导致齿(chi)轮(lun)(lun)质(zhi)量的(de)降(jiang)低，其会通过其固有频率影(ying)响整体(ti)动(dong)态响应。

对于齿轮啸叫问题，西门子工程咨询服务团队基于Simcenter 3D平台提供以下解决方案。

基于在 Simcenter 3D 平台中瞬态多体仿(fang)真的(de)结果可以(yi)无缝地用于声学环(huan)境的(de)优(you)势，可以实(shi)现下(xia)图 中所示的(de)由多(duo)体到声学仿真(zhen)的工作流程。在 Simcenter 3D 声学中(zhong)，多体负载(zai)直接(jie)可以转(zhuan)换为频域并自动的映射到振(zhen)动声学模型上(shang)，然后将它们用作结构激励，以计(ji)算变速(su)箱(xiang)辐(fu)射的外部噪声。通过此过程，可以根(gen)据基本参(can)数(shu)（例如微观(guan)几何修形）对(dui)NVH性能(neng)进行优(you)化(hua)分析(xi)，例(li)如(ru)传(chuan)输到外壳附(fu)近(jin)麦克(ke)风中(zhong)的声压级。通(tong)过这种(zhong)方式，整(zheng)个传输路径(jing)都集成在一个单一的集成环境中(zhong)进(jin)行模拟：从源（齿轮力）通(tong)过传递路径(jing)（轴承和灵活的外壳结构）到接(jie)收器（麦(mai)克风阵列）。可以轻松(song)分析这些子系(xi)统中(zhong)的修改，以优(you)化(hua)设计并(bing)减轻NVH现象。

评估齿轮箱声辐射的典型工作流程

3. 减少轮齿耦合效应

齿(chi)轮传(chuan)动是一种复(fu)杂的机械系统，它(ta)包括(kuo)齿(chi)轮、轴(zhou)、轴(zhou)承和(he)其他辅助部件(jian)，用于传(chuan)递动力(li)。然(ran)而，由于齿(chi)轮(lun)传(chuan)(chuan)动系统的(de)(de)复杂性和有(you)限的(de)(de)计算(suan)能力(li)，其(qi)精确(que)(que)的(de)(de)建模(mo)(mo)和分析仍然(ran)是一项挑战。首先，要(yao)能准确(que)(que)地(di)构建齿(chi)轮(lun)传(chuan)(chuan)动系统模(mo)(mo)型(xing)，必须(xu)明确(que)(que)它的(de)(de)结构和参数(shu)。其(qi)次，需(xu)要(yao)建立有(you)效的(de)(de)数(shu)学模(mo)(mo)型(xing)来描(miao)述(shu)接触力(li)以及齿(chi)轮(lun)传(chuan)(chuan)动系统在(zai)运行时可能出现(xian)的(de)(de)复杂现(xian)象(xiang)，例如轮齿耦合(he)效应。

Siemens PLM Software为(wei)齿(chi)轮箱(xiang)快速建模开发了(le)一种新的(de)应用：Simcenter 3D Motion Transmission Builder（Transmission Builder）。这(zhei)个垂直应用依据输入的齿轮设计参数(shu)可自(zi)动(dong)生成(cheng)仿(fang)真模型，彻(che)底改(gai)变了(le)建立变速器(qi)多体仿真(zhen)模型的用户体验，同时显著提高了(le)建模效(xiao)率。工作流(liu)程(cheng)如下图所示。 

工作流程：根据齿轮设计规范生成仿真模型

Simcenter 3D可以帮助工程(cheng)师解决轮齿耦(ou)合(he)效(xiao)应和其他关键现(xian)象。先进的动态有限元[FE]前处理(li)器是Simcenter 3D Motion Transmission Builder产品模块的(de)一部分(fen)。它是一种快(kuai)速计算工(gong)具，可以对(dui)动态演变的结构(gou)柔性效应进行建模。以(yi)一对轻量化(hua)齿轮(lun)毛坯设计的简单斜齿圆柱齿轮副为(wei)例，该工具对于建模至关重要，因为齿轮毛坯的柔性会影(ying)响传动系(xi)统的(de)接触模式和动态响(xiang)应。

如下图所示(shi)，在极端情况下(xia)，齿轮(lun)会因产生的(de)力而变形，从而导致不同的(de)接触模式和NVH（噪音(yin)、振(zhen)动和粗糙度）性能(neng)。基于Simcenter3D ，可(ke)以微调齿(chi)轮，使(shi)其具有最(zui)小(xiao)的质量和优化的NVH性能。同(tong)时还可(ke)以绘制(zhi)典型的NVH属性，如轴承(cheng)力(li)、传(chuan)递误(wu)差和(he)声辐(fu)射(she)功率，以确定齿轮固有频率对系统响(xiang)(xiang)应的影响(xiang)(xiang)。这(zhei)使工程师(shi)在没有(you)物理原型时(shi)，也能够优化(hua)齿轮(lun)毛坯设计，并进行NVH性能分(fen)析(xi)。

下(xia)图一对斜齿圆柱(zhu)齿轮(lun)副中一(yi)个(ge)齿(chi)轮(lun)为柔性体(ti)(ti)，包(bao)括齿(chi)轮(lun)毛(mao)坯和(he)轮(lun)齿(chi)。在一(yi)阶模态频率对应(ying)的RPM激励下(xia)，柔性齿轮发生明显共振。 

轻量化斜齿轮的变形云图（放大图）

下图显示了轴(zhou)承力在齿轮啮(nie)合阶次(ci)(ci)上的(de)阶次(ci)(ci)截图。 

 轴承力(li)在(zai)齿轮啮合(he)阶(jie)次(ci)上的阶(jie)次(ci)截图

4. 考虑齿轮柔性以正确模拟行星轮系的传递路径

我(wo)们确定(ding)了结(jie)构柔(rou)性(xing)对振动源的影响是存在的、重要的，并且可以充分模(mo)拟。我们将齿(chi)轮(lun)作为振动源，但(dan)如果(guo)齿(chi)轮(lun)不是唯一的振动源呢？如果传(chuan)递路径也起(qi)到作用怎(zen)么办？

行(xing)星(xing)齿(chi)(chi)轮传动(dong)与(yu)普通齿(chi)(chi)轮传动(dong)相(xiang)比较，具有质(zhi)量小、体(ti)积小、结构紧凑、承载能力大、传动(dong)效率高(gao)、传动(dong)比大等优点，已广泛(fan)应用(yong)于(yu)工程机械、汽车、飞机和船舶等各(ge)行(xing)各(ge)业。在行(xing)星(xing)齿(chi)(chi)轮箱中，齿(chi)(chi)圈一般固定不(bu)动(dong)，太阳轮、行(xing)星(xing)轮和行(xing)星(xing)架(jia)旋转。在某些情况下(xia)，齿圈的(de)柔性对轮齿(chi)接触(chu)力和传递到周围结构的力都有重(zhong)大影响(xiang)。

此外，当行星齿(chi)轮经过(guo)时，靠近齿(chi)圈的(de)壳(qiao)体(ti)结构的(de)局部(bu)加强可(ke)能会影响振(zhen)动信(xin)号。为了确保在最终设计中考(kao)(kao)虑(lv)到这些因素(su)，需要采用建模方法(fa)将壳(qiao)体(ti)齿(chi)圈考(kao)(kao)虑(lv)成柔性部(bu)件。

5.案例展示

下面的示例演(yan)示了载荷传递路径对振动的影响(xiang)，以及经过的行星(xing)如何影响(xiang)轴承座安(an)装点的反作用力(li)。这是针对国家可再生能源(yuan)实验室（NREL）的一个风力涡轮机齿轮箱[1]的分析结果，结果显示只有在模型中考虑包括(kuo)齿(chi)圈柔性，才能检测(ce)到行星通过频率对约束边界(jie)反作(zuo)用力调制。如下(xia)图所(suo)示。 

外壳安装点的反作用力

另一个令人兴奋(fen)的结果是变(bian)速(su)箱(xiang)在运行过(guo)程(cheng)中的变(bian)形(xing)。下面的(de)视频(pin)显示(shi)了变(bian)速箱的(de)变(bian)形(xing)。为了增加可视化效果，该变(bian)形(xing)通过参数设置被(bei)放大。这(zhei)使我们能够清楚地(di)看到(dao)行(xing)星(xing)轮和齿圈(quan)的相互作用下的(de)齿圈变(bian)形模式，以及齿圈变(bian)形后的(de)接触力的(de)变(bian)化。所看到(dao)的齿(chi)圈三(san)角形(xing)变形是行星系统(tong)的典型变形模(mo)式，它会显(xian)著(zhu)影响行星(xing)轮和齿圈之间的动力学过程(cheng)以及由此产生(sheng)的接触模(mo)式。齿(chi)轮系统(tong)动力学过程中的这种(zhong)变化对(dui)传动系统的功率密度具有显著影响。

齿圈变形会(hui)导致啮(nie)合关系(xi)发生变化。这(zhei)反过来又会(hui)影响系(xi)统内的动态载荷(he)、平移(yi)速度和摩擦力，如(ru)以下视频所示。这些特性的变(bian)化会(hui)导(dao)致功率损耗和振动增(zeng)加(jia)，贡献传动系统中的大(da)部(bu)分噪声(sheng)。在极端情况下，这些变化可(ke)能会导致永久性损坏(huai)。 

6. 结论

为了找到齿轮箱的(de)最佳声学(xue)性(xing)能，一种准确的(de)模(mo)拟方法来(lai)评(ping)估壳(qiao)体和(he)齿轮振动是非常重要(yao)的。本文中讨(tao)论的高级动态FE前处理(li)器确实是独一无二(er)的(de)。它的(de)独特(te)性在(zai)于它能够考虑和模拟齿轮(lun)变形和动力(li)学(xue)性能，并将(jiang)其特性耦合到系统中以精确预测(ce)系统的(de)响应。它(ta)能够(gou)考虑(lv)以下因(yin)素(su)：

• 定制的齿轮毛(mao)坯设计

• 不对中、微观修型(xing)和轮齿(chi)耦合效应

• 齿轮固有频(pin)率引起的动(dong)态响应中的共振

• 齿(chi)轮变(bian)形对(dui)结构传递(di)路(lu)径的影响(xiang)