在设计阶段精确预测变速箱齿轮噪声

lipanwei

一种新的、基于CAE模型的动力学和声振预测方法，证明了通过在设计阶段精确地预测齿轮噪声，达到缩减设计时间和工程成本的可能性。Elasis与LMS工程咨询服务部通力合作，通过建立一种精确的CAE模型来仿真变速箱的噪声。这个CAE模型可仿真噪声源在各种运行状况下的噪声生成机制。为了验证这一CAE模型，在建模过程的每个阶段都做了实验测试。该方法比原型实验能提供更多有关噪声根本成因方面的信息，并且有可能以更低的成本，更快、更早地开发出解决方案。
随着汽车制造商作出持续的努力，已使发动机噪声和路面噪声显著降低，传动装置的噪声问题则因其它噪声源对其掩盖性不断减小而变得愈发突出。传动装置的设计师必须应对诸多不同状态下出现的噪声问题，譬如离合器发出的哐当声，齿轮发出的呜呜声，齿轮发出的咯咯声和动力传动系的轰声等。实际上，变速箱噪声主要是齿轮的呜呜声（whine）和咯咯声（rattle）这两类噪声。


通过安装有虚拟发动机模拟装置的测试，工程师们可以评估手动变速箱的声学性能主噪声的产生机理
2 x" \8 N% K7 `) ^' A/ c/ |- J% T齿轮的呜呜声,是一种与齿轮副的齿数相对应的、含发动机转速多阶次频率的复杂谐音噪声。在旋转一圈的过程中，互相接触的齿数是变化的，譬如说，在某一时刻有两个齿互相接触，而在另一时刻则有3个齿互相接触。另外，齿轮副的接触点会不断地沿齿面移动。每一个齿均可视为齿根固定的梁，梁的弯曲刚度随接触点在梁上的移位而改变。对某指定的齿而言，当接触点向齿根移动时其刚度在增大，当接触点向齿顶移动时其刚度在下降。
这一现象被认为是附加刚度随时间变化。齿轮咯咯声是由于那些不带负荷的传动齿轮可在一个小范围内自由运动而产生的噪声，即由于两个齿轮的齿间切向间隙和齿轮与轴之间的径向和轴向间隙所引起的噪声。齿轮之间的撞击和齿轮与轴之间的撞击这种金属之间的碰撞，会产生宽频带的振动，并由此形成咯咯声。这种碰撞是由于燃烧力随时间变化引起发动机转速波动所造成的。齿轮的呜呜声和咯咯声作为源，经由轴承的传递，最终激发起变速箱箱体的振动，而振动的箱体也随之成为噪声辐射源。
& y. U8 o! c- ]$ Q- t+ E, ^! |从构建-测试转移到CAE
7 h! N& x1 u. p# V3 Q5 V/ R# y, y: o今天，传动系统的制造商在原型试验阶段花费大量的时间和精力去对付上面说到的那些问题。他们在发动机怠速及通过不同齿轮来变速时，评估在不同档位上生成的传动系噪声。这一途径的问题在于建造原型，进行实物测试，并为力求解决存在的问题而去修改原型的代价非常昂贵和费时太长。
另一问题是实物测试所能够提供的信息，会受到可用于对传动系做测试的传感器数量和精度的限制。居于这些理由，Elasis开始探索在有原型之前的设计阶段，就着手评估和分析变速箱噪声。
这样做的目的，是为了在早期的设计阶段，就能评估其声振性能，优化设计，减少或消除原型阶段的故障。Elasis 和 LMS 成功地引入的一个方法，是分析变速箱壳体在其轴承上作用有已知力时引起的振动和噪声，并分析噪声是怎样传递到车内的。对变速箱壳是通过有限元（FE）模型和边界元（BE）模型来建模的，轴承上的作用力是通过试验方法确定的。例如采用传递路径分析（TPA）方法。试验和仿真的结合还用于识别壳体的薄弱部位，并提出有效的修改意见，诸如增加肋板或改变壳体的壁厚等。
如果当前的变速箱设计已可用于测试，那么上述方法的输入力就可以用当前的变速箱设计为基础予于确定，或是通过对相类似的变速箱做试验来给定。这一途径适用于噪声问题涉及变速箱壳体共振的情况，这种共振放大了轴承所承受的内力。然而，由于该问题主要源自强激振力，对箱体的结构修改很可能尚不足以奏效，需要采取其它手段才能解决问题。

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' Q0 R) ^. k- K% ]  J8 b8 B- z% L首先通过有限元模性针对内部传动系统的运动进行建模从噪声源源头减少噪声
Elasis隶属于菲亚特的工程公司，主要为菲亚特汽车公司和菲亚特-通用汽车动力总成合资企业（FGP）进行车辆和动力总成的研究和开发工作。在当前的课题中，LMS 和 Elasis 在该方法的基础上，更为精细地分析了新的传动系统的噪声源。他们面临的挑战是对传动系统内部运行状况的精细建模十分复杂，它要求必须精确地预测出伴随齿轮咯咯声的内部宽频动态力。
LMS的工程专家开发出一种多体仿真和边界元分析相结合的手段，来掌握传动系统内部噪声产生的根本原因。第一步是用LMS多体动力学软件创建一个能结合齿轮刚度、齿轮游隙、轴承特性、轮毂和套筒连接属性之间内部传动机理的动力学模型。诸如轴和箱体等零件的柔度，可利用有限元模型所得到的模态参数来表示。在该项目中，每对相接触的齿的刚度认为是常量，由于忽略齿间移动接触引起的刚度变化，关注的重点便集中在齿轮的咯咯声上。当关注的重点放在齿轮的呜呜声时，也可以扩展采用这一办法。例如，以一个解析关系式给出齿的刚度作为与齿的接触位置相关参数的函数。下一步是使用LMS声学仿真软件建立变速箱壳体的边界元模型，以便预测仿真环境下的噪声辐射。


8 k8 z! s6 O# |: f其次，建立声振边界元模型仿真来预测辐射性的变速箱噪声模型精度的检验
Elasis的NVH部已建立起一整套极先进的测试装置来评估人工变速箱。该装置是一个虚拟发动机仿真器(VES)，具有重现波动频率上限达500Hz的速度和扭矩的能力，这与实际的内燃机所产生的速度和扭矩相类似。从而可免除在真实的发动机上做测试的需求，确保变速箱为记录噪声唯一的源，还可避免发动机噪声的掩蔽效应，集中对齿轮咯咯声做深层次的研究。
9 n* s$ M9 R5 q" g该课题进行中获得的的一个重要的认识是，在低转速下，发动机轴的转速波动是齿轮咯咯声增大的主要原因。多体仿真的输入是由发动机速度波动所表征的燃烧脉动，及表征车辆载荷的传动系统阻力矩。通过在输出轴上施加阻力矩的同时，在飞轮上输入波动转速，在第五对齿轮副上进行多体仿真。变速箱壳体则作为噪声辐射器。
由于是利用有限元模型的模态对柔性部件的特性作仿真，作为时间函数的模态参预因子在多体仿真过程中被求出。它们被转换到频域，并应用于变速箱的声振模型，实施噪声辐射的预测。
这一方法使Elasis能在尚无原型结果的早期开发阶段，做出更佳的设计决策。与建造-测试的方法相比，该方法能从新提出的设计中获得关于性能方面更为详细的信息，并可更快地、以更少的费用来评估替换的决策。随着这一新的仿真方法的进一步完善，并得到Elasis更广泛的应用，使传动系统的设计方法获得显著的改进。
; K5 ?1 b" ~) j; J# M文章关键词： 变速箱、齿轮、发动机、轴承