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掌握锥齿轮模拟，实现静音变速器

2024-01-06 08:09:52·  来源：Simcenter ECS 工程咨询服务  
　

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电动化的快速增长正在动摇汽车动力总成发展的基础，因为汽车行业无法再利用其在内燃机动力总成开发方面100多年的经验。面对需算变化的市场环境，我们需要面对的问题是：如何在竞争中保持领先地位，并在电动驱动器方面脱颖而出？

噪音和振动对车辆的整体舒适性起着至关重要的作用。电动汽车（EV）的出现使变速箱对整个噪声特征的贡献更加突出。除了平面齿轮（在同一平面内传递旋转能量）外，锥齿轮还用于将旋转能量传递到另一个旋转方向（例如，在车辆差速器中）。锥齿轮对车辆的机械设计和操作很有帮助，但它们对设计工程师来说是一个挑战，因为它们的噪音和振动性能更难预测和优化。

为了掌握锥齿轮模拟静音传动，西门子工程咨询服务创新的锥齿轮传动声发射数值分析解决方案。这包括在Simcenter 3D多体系统动力学仿真环境中使用3D齿轮接触力模型，帮助车辆制造商能够设计和交付足够安静的变速器。


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01 锥齿轮振动挑战


齿轮啮合是指当齿轮对旋转时，轮齿插入配合齿轮的轮齿之间的方式。与直齿轮和斜齿轮（平面齿轮）一样，锥齿轮的负载会导致强烈的非线性齿轮啮合过程，这会产生不必要的振动。与直齿轮和斜齿轮不同，由于锥齿轮元件之间的三维运动传递，锥齿轮轮齿啮合过程的精确建模变得更加复杂。为了正确设计锥齿轮，需要考虑以下方面：


  • 齿轮副的设计具有一定的微几何特性，导致一定的传动误差。
  • 与圆柱齿轮相比，不存在完美渐开线齿廓的概念。实际的齿面和微观几何形貌完全由齿轮制造过程决定。
  • 齿轮副在负载下的错位，将影响动态传递误差和接触模式。


    • 为了解决锥齿轮振动难题，我们的解决方案包括：


  • 分析振动（由TE引起）如何通过轴承传递到壳体；
  • 采用系统级方法对变速箱/传动系进行设计、仿真和分析。


    • 锥齿轮箱NVH的设计优化需要更多关于这些误差的敏感性影响的知识。生产前必须优化和验证锥齿轮设计，以避免过多的测试，从而将昂贵的原型设计降至最低。


    02 锥齿轮建模与仿真解决方案


    我们借助Simcenter 3D Motion的模块化的锥齿轮模拟方法，可以将准确的齿面描述、快速的3D接触检测和不同精度的接触力计算连接到系统级的动力学和声学计算中。锥齿轮接触单元包括三种类型的接触力：刚度齿轮接触力（有限元分析）、粘性阻尼齿轮接触力和基于库仑的摩擦力。接触力计算方法和由此产生的接触力分布如下图。


    图1：锥齿轮刚度接触力计算——模型假设和示例


    新的接触方法在Simcenter 3D中作为一种新的接触元件实现，它为多体求解器提供了分析直齿轮和螺旋锥齿轮的能力，并随后对其进行优化。包括：


  • 可用于动态时域模拟的准确高效的接触模型；
  • 3D接触检测，确定微几何和齿轮副错位如何影响传递误差；
  • 嵌入多体仿真框架中，实现系统级变速箱仿真。


    • 锥齿轮接触元件用于系统级应用，可以用于应对噪音和振动挑战，声学模拟可以用来评估锥齿轮作为激励源，以及作为噪声和振动的传递路径。我们的解决方案可以从动态模拟中导出轴承反作用载荷，或者直接导出壳体振动，并将其作为振声模拟的激励。能够以有效的方式准确预测噪音和振动性能，从而满足用户对未来安静传动的需求。


    03 使用动力学和声学方案进行锥齿轮箱仿真


    当轮齿啮合产生的振动齿轮接触力通过轴和轴承传递到齿轮箱壳体时，齿轮箱壳体振动并向其环境发出声音。为了在正确预测锥齿轮箱的声发射，首先使用柔性多体系统动力学仿真进行多体仿真，以计算由于动态齿轮载荷引起的壳体振动。之后，声学模拟将这些壳体振动与外部空气的声学模型相耦合，以解决并达到振动声学设计目标。下图显示了研究的螺旋锥齿轮箱的柔性多体模型。该模型使用有限元分析齿轮接触方法来分析两种螺旋锥齿轮副变体的行为，其中一种变体具有标准设计，另一种具有轻量化设计。


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    图2：具有柔性部件和齿轮副变体的柔性多体模型


    螺旋锥齿轮箱的声发射是基于起动模拟计算的，在此过程中，小齿轮轴在10秒的时间间隔内从0加速到3000 RPM，同时施加100Nm的恒定负载。在继续进行声学模拟之前，首先进行阶次分析，以确定关键齿轮啮合阶次，并确定随后计算齿轮箱声发射的阶次分辨率。齿轮啮合频率由选定齿轮参考轴单圈旋转期间发生的齿碰撞数确定。正如我们所看到的，这些影响与产生的振动密切相关，因此也与发出的齿轮箱噪音密切相关，由此可见，在麦克风声压的坎贝尔图中可以很容易地找到齿轮啮合顺序。标准和轻量化齿轮副变体的坎贝尔图如图3所示。比较这两张图，可以清楚地看到齿轮啮合顺序为16的谐波（螺旋锥齿轮有16个齿）。还可以发现，轻量化齿轮副变体显示了额外的边频带，这些边频带可追溯到轻量化特征（即孔）的存在。


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    图3：标准和轻量化锥齿轮副的麦克风声压坎贝尔图。


    在进行了声振模拟后，借助Simcenter 3D的听觉功能，可以产生最终的声音。不仅能够听到噪音，而且还提供了声音质量指标，以更好地理解人类耳朵对噪音的感知。


    04 结论


    螺旋锥齿轮箱的动力学和声学数值分析解决方案采用三维混合（有限元分析）齿轮接触模型，在多体系统动力学仿真环境中准确计算齿轮接触力，从中可以顺利地从动力学仿真中获得轴承反作用载荷的影响，并将其作为振声仿真的激励。该解决方案能够帮助汽车制造商（以及其他在机械设计中使用锥齿轮作为关键部件的制造商）能够在设计阶段预测锥齿轮的噪音和振动行为，这对实现安静的变速器至关重要。

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