齿轮仿真需要Simpack的原因

齿轮产品仿真的内容很多，包含强度分析、疲劳分析、传动分析、NVH分析等，其中最重要的是齿轮传动分析，因为齿轮传动性能直接表示齿轮在某工况下的作业性能，同时也是强度分析、疲劳耐久性分析、NVH分析的基础。本文所说的齿轮仿真特指齿轮传动仿真。

1. 齿轮传动分析的现状
目前，对齿轮传动分析主要有两种方法，第一种方法是使用齿轮专用分析工具，第二种方法是使用多体动力学分析方法。

（1）齿轮专用分析工具
这些工具包含专业的齿轮知识和经验公式，能快速对齿轮传动系统进行设计建模和仿真分析，得到应力应变、疲劳寿命、NVH等性能，并具有优化设计功能提高齿轮性能。这些专业的、易用的功能使齿轮专用分析工具在齿轮行业得到大量的应用，指导工程人员进行齿轮设计和仿真分析。



不过，虽然这些齿轮专用分析工具具有强大的功能，但是依然无法满足齿轮传动分析的全部要求，比如无法进行齿轮瞬态响应分析、无法进行齿轮敲击噪声分析等。具体来说有以下局限性：

• 采用线性频域算法，主要用于稳态分析，无法进行时域瞬态分析（如加减速工况分析、时域载荷历程输出）；
• 主要用于齿轮啸叫分析，不能进行齿轮敲击噪声分析（瞬态性能分析）；
• 只能对齿轮产品分析（如齿轮箱），无法对包含齿轮传动的整个传动系分析，例如整车Driveline分析、风机整机分析；
• 主要考虑齿轮机械性能，无法与控制系统耦合实现联合仿真。

因此，还需要其它工具软件以满足齿轮分析的仿真需求。

（2）传统多体动力学软件
由于齿轮专用分析工具存在一定的不足，有些工程人员会使用传统的多体动力学工具进行齿轮分析，能在整机环境下模拟齿轮传动与其它部件之间的耦合或者分析控制系统对齿轮传动的影响等。但是由于齿轮传动的复杂性和专业性，传统通用的多体动力学软件对齿轮传动仿真的准确度和精确度往往无法达到齿轮产品的实际要求。具体来说这种分析软件有以下局限性：

• 求解器主要用于中低频仿真，很少用于高频分析，无法进行齿轮啸叫和敲击等NVH分析；
• 齿轮建模和仿真功能弱，只能考虑个别类型齿轮（如直齿轮、斜齿轮）的修形和摩擦；
• 对柔性体齿轮支持差；
• 无法考虑齿轮啮合时变刚度。

由于上述原因，传统多体动力学软件在齿轮行业应用较少，主要应用在对齿轮传动要求精度不高的整机级或系统级分析中。
综上所述，不论是使用专业的齿轮专用分析工具，还是传统的通用多体动力学分析软件都无法完全满足齿轮分析的需求。那么，这就需要使用Simpack软件进行齿轮仿真分析。

Simpack作为专家级机电/机械系统动力学分析软件，具有专业的齿轮仿真模块，集成了齿轮专用分析软件和多体动力学软件的技术优势，既能详细考虑齿轮宏观几何和微观几何，自动计算啮合时变刚度，获得精确的齿轮传动分析结果，又能把齿轮传动与其它部件连接起来，实现整机级传动系统分析甚至进行机电一体化分析等。



这就是为什么齿轮仿真需要使用Simpack的原因。这里说明一下，Simpack与齿轮专用分析工具的分析方法、分析重点都不一样，两者并不是直接竞争关系。

2.Simpack齿轮分析的功能和特点

Simpack是世界上第一款采用完全递归算法、利用相对坐标系建立模型的多体动力学软件。其带有功能强大的齿轮建模和仿真功能，实现齿轮瞬态分析、NVH等。具有以下特点：

• 求解速度快、精确度高、稳定性强、适应性广
• 直接建立常见类型的齿轮模型，模型精度高，详细考虑齿轮的宏观几何和微观几何
• 卓越的NVH高频分析能力，达到声学级别，分析齿轮啸叫和敲击问题
• 优化的齿轮接触解析方法，快速仿真齿轮传动的动态特性，获得高保真的仿真结果
• Simpack使用全参数化齿轮建模，以实现齿轮参数DOE分析和最优化
• 强大的实时仿真功能，支持硬件在环(HiL)等

（1）Simpack齿轮建模
支持在Simpack中通过输入参数直接建立齿轮几何模型，且这些参数可以完全参数化，支持对参数进行最优化设计。



能考虑齿轮的宏观和微观几何，包括齿廓/齿侧修形和齿距误差等参数。



同时，Simpack还支持柔性体齿轮，考虑齿轮柔性对齿轮传动的影响。



（2） Simpack齿轮啮合接触
Simpack具有特有的齿轮解析仿真分析方法，通过输入齿轮啮合参数（例如杨氏模量、泊松比、阻尼、摩擦系数等），进行齿轮啮合仿真计算，仿真速度快，精度高，稳定性好，同时能考虑齿轮偏差等因素的影响。



Simpack通过“切片”方式进行齿轮啮合计算，能精确模拟齿轮啮合力大小以及分布情况，更加真实准确地模拟齿轮传动实际情况，并能得到齿轮啮合的时变刚度等参数。



另外，Simpack还具有独特的花键建模和仿真分析功能，能建立精确的花键连接，帮助实现更详细的传动系仿真模型。



3. Simpack齿轮分析典型应用
Simpack齿轮仿真仿真技术已经在风电、汽车、工业传动等行业得到广泛的应用，其典型应用主要有：

（1） 齿轮箱/变速箱NVH分析（啸叫和敲击）
除了齿轮啸叫分析外，Simpack还能通过时域仿真进行敲击分析。例如，戴姆勒公司采用Simpack进行某型号DCT变速箱NVH分析，评估其啸叫和敲击噪声，并根据试验结果进行验证。




（2） 齿轮传动系振动分析
Simpack能对齿轮传动进行振动分析，包括坎贝尔图、阶次分析、工作变形分析等。例如，风电行业根据GL认证要求，使用Simpack进行风机传动链振动分析。



（3） 真实的齿轮传动时域仿真
结合Simpack其他模块功能，能建立精确的齿轮传动仿真系统，模拟随时间变化的各种工况并分析。例如，宝马摩托车公司使用Simpack对变速箱换挡过程进行分析，并研究参数对性能的影响。



（4） 整机级动态性能仿真
把齿轮传动系统与其它机构部件集成，进行整机级系统动态性能仿真，更加真实模拟现实模型。例如，对包含详细变速箱模型的汽车整车传动系进行动态仿真及NVH分析，分析各部件的相互耦合作用。



（5） 与控制系统联合仿真
包含齿轮传动的机械系统与控制系统进行联合仿真，实现更加精确的机电一体化分析。例如，风机整机与控制、空气动力学等软件联合实现变桨及偏航过程中的整机动态性能仿真。



（6） Realtime实时仿真
基于高效的齿轮仿真求解速度和领先的实时仿真技术，Simpack支持建立各种实时仿真系统。例如，美国克莱姆森大学使用Simpack建立风机硬件在环（HIL）实时仿真实验室，用于研究风机性能。