電動(dòng)化的快速增長(zhǎng)正在動(dòng)搖汽車動(dòng)力總成發(fā)展的基礎(chǔ)，因?yàn)槠囆袠I(yè)無法再利用其在內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成開發(fā)方面100多年的經(jīng)驗(yàn)。面對(duì)需算變化的市場(chǎng)環(huán)境，我們需要面對(duì)的問題是：如何在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位，并在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器方面脫穎而出？

噪音和振動(dòng)對(duì)車輛的整體舒適性起著至關(guān)重要的作用。電動(dòng)汽車（EV）的出現(xiàn)使變速箱對(duì)整個(gè)噪聲特征的貢獻(xiàn)更加突出。除了平面齒輪（在同一平面內(nèi)傳遞旋轉(zhuǎn)能量）外，錐齒輪還用于將旋轉(zhuǎn)能量傳遞到另一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向（例如，在車輛差速器中）。錐齒輪對(duì)車輛的機(jī)械設(shè)計(jì)和操作很有幫助，但它們對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊脑胍艉驼駝?dòng)性能更難預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

為了掌握錐齒輪模擬靜音傳動(dòng)，西門子工程咨詢服務(wù)創(chuàng)新的錐齒輪傳動(dòng)聲發(fā)射數(shù)值分析解決方案。這包括在Simcenter 3D多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境中使用3D齒輪接觸力模型，幫助車輛制造商能夠設(shè)計(jì)和交付足夠安靜的變速器。

01 錐齒輪振動(dòng)挑戰(zhàn)

齒輪嚙合是指當(dāng)齒輪對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪齒插入配合齒輪的輪齒之間的方式。與直齒輪和斜齒輪（平面齒輪）一樣，錐齒輪的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的非線性齒輪嚙合過程，這會(huì)產(chǎn)生不必要的振動(dòng)。與直齒輪和斜齒輪不同，由于錐齒輪元件之間的三維運(yùn)動(dòng)傳遞，錐齒輪輪齒嚙合過程的精確建模變得更加復(fù)雜。為了正確設(shè)計(jì)錐齒輪，需要考慮以下方面：

為了解決錐齒輪振動(dòng)難題，我們的解決方案包括：

錐齒輪箱NVH的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要更多關(guān)于這些誤差的敏感性影響的知識(shí)。生產(chǎn)前必須優(yōu)化和驗(yàn)證錐齒輪設(shè)計(jì)，以避免過多的測(cè)試，從而將昂貴的原型設(shè)計(jì)降至最低。

02 錐齒輪建模與仿真解決方案

我們借助Simcenter 3D Motion的模塊化的錐齒輪模擬方法，可以將準(zhǔn)確的齒面描述、快速的3D接觸檢測(cè)和不同精度的接觸力計(jì)算連接到系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)計(jì)算中。錐齒輪接觸單元包括三種類型的接觸力：剛度齒輪接觸力（有限元分析）、粘性阻尼齒輪接觸力和基于庫侖的摩擦力。接觸力計(jì)算方法和由此產(chǎn)生的接觸力分布如下圖。

圖1：錐齒輪剛度接觸力計(jì)算——模型假設(shè)和示例

新的接觸方法在Simcenter 3D中作為一種新的接觸元件實(shí)現(xiàn)，它為多體求解器提供了分析直齒輪和螺旋錐齒輪的能力，并隨后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。包括：

錐齒輪接觸元件用于系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，可以用于應(yīng)對(duì)噪音和振動(dòng)挑戰(zhàn)，聲學(xué)模擬可以用來評(píng)估錐齒輪作為激勵(lì)源，以及作為噪聲和振動(dòng)的傳遞路徑。我們的解決方案可以從動(dòng)態(tài)模擬中導(dǎo)出軸承反作用載荷，或者直接導(dǎo)出殼體振動(dòng)，并將其作為振聲模擬的激勵(lì)。能夠以有效的方式準(zhǔn)確預(yù)測(cè)噪音和振動(dòng)性能，從而滿足用戶對(duì)未來安靜傳動(dòng)的需求。

03 使用動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)方案進(jìn)行錐齒輪箱仿真

當(dāng)輪齒嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)齒輪接觸力通過軸和軸承傳遞到齒輪箱殼體時(shí)，齒輪箱殼體振動(dòng)并向其環(huán)境發(fā)出聲音。為了在正確預(yù)測(cè)錐齒輪箱的聲發(fā)射，首先使用柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行多體仿真，以計(jì)算由于動(dòng)態(tài)齒輪載荷引起的殼體振動(dòng)。之后，聲學(xué)模擬將這些殼體振動(dòng)與外部空氣的聲學(xué)模型相耦合，以解決并達(dá)到振動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)。下圖顯示了研究的螺旋錐齒輪箱的柔性多體模型。該模型使用有限元分析齒輪接觸方法來分析兩種螺旋錐齒輪副變體的行為，其中一種變體具有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，另一種具有輕量化設(shè)計(jì)。

圖2：具有柔性部件和齒輪副變體的柔性多體模型

螺旋錐齒輪箱的聲發(fā)射是基于起動(dòng)模擬計(jì)算的，在此過程中，小齒輪軸在10秒的時(shí)間間隔內(nèi)從0加速到3000 RPM，同時(shí)施加100Nm的恒定負(fù)載。在繼續(xù)進(jìn)行聲學(xué)模擬之前，首先進(jìn)行階次分析，以確定關(guān)鍵齒輪嚙合階次，并確定隨后計(jì)算齒輪箱聲發(fā)射的階次分辨率。齒輪嚙合頻率由選定齒輪參考軸單圈旋轉(zhuǎn)期間發(fā)生的齒碰撞數(shù)確定。正如我們所看到的，這些影響與產(chǎn)生的振動(dòng)密切相關(guān)，因此也與發(fā)出的齒輪箱噪音密切相關(guān)，由此可見，在麥克風(fēng)聲壓的坎貝爾圖中可以很容易地找到齒輪嚙合順序。標(biāo)準(zhǔn)和輕量化齒輪副變體的坎貝爾圖如圖3所示。比較這兩張圖，可以清楚地看到齒輪嚙合順序?yàn)?/span>16的諧波（螺旋錐齒輪有16個(gè)齒）。還可以發(fā)現(xiàn)，輕量化齒輪副變體顯示了額外的邊頻帶，這些邊頻帶可追溯到輕量化特征（即孔）的存在。

圖3：標(biāo)準(zhǔn)和輕量化錐齒輪副的麥克風(fēng)聲壓坎貝爾圖。

在進(jìn)行了聲振模擬后，借助Simcenter 3D的聽覺功能，可以產(chǎn)生最終的聲音。不僅能夠聽到噪音，而且還提供了聲音質(zhì)量指標(biāo)，以更好地理解人類耳朵對(duì)噪音的感知。

04 結(jié)論

螺旋錐齒輪箱的動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)數(shù)值分析解決方案采用三維混合（有限元分析）齒輪接觸模型，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境中準(zhǔn)確計(jì)算齒輪接觸力，從中可以順利地從動(dòng)力學(xué)仿真中獲得軸承反作用載荷的影響，并將其作為振聲仿真的激勵(lì)。該解決方案能夠幫助汽車制造商（以及其他在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用錐齒輪作為關(guān)鍵部件的制造商）能夠在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)錐齒輪的噪音和振動(dòng)行為，這對(duì)實(shí)現(xiàn)安靜的變速器至關(guān)重要。