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消除齿轮发牢骚

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2012年1月7日,

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Romax技术的先进模拟技术消除了自动变速箱的齿轮鸣叫问题。

被称为齿轮呜呜声的侵入性噪声是由齿轮啮合时产生的振动引起的，这是由设计、加载、温度影响和制造变化引起的不完美的结果。将齿轮的呜呜声降低到可接受的水平是一个巨大的挑战，特别是对于像现代行星自动变速箱这样复杂的齿轮箱。RomaxDesigner等先进的设计、模拟和分析工具使工程师能够快速准确地识别问题，找到根本原因，并在允许的设计约束内提出现实的解决方案。有了这种工具，现有的设计可以进行优化，以消除噪音问题，甚至在切割任何金属之前，就可以创建已知没有问题的新设计。在这里，我们开发了一个优化现有设计的过程，以减少噪音问题，并展示了它如何与一个现实世界的例子。

齿轮的呜呜声并不一定是一个大问题。它本质上是一种调性噪音，对司机和乘客来说很烦，因为它穿过了车内的其他噪音。完美的齿轮在完美的操作环境下不会产生噪音，但不幸的是，我们并没有生活在一个完美的世界。现实世界是一个制造和装配公差的世界，组件在我们施加的载荷下会发生偏转。通过完美齿轮的平稳传递运动和你实际得到的运动之间的区别被称为“传输误差”，或“TE”。这是齿轮呜呜噪声的真正来源。TE在齿轮啮合处引起振动，振动通过内部变速箱组件传递到外壳，在那里它直接作为噪声辐射出去，或通过底盘以振动的形式传递到其他地方作为噪声辐射出去。虽然不是控制齿轮呜呜声的唯一方法，但通过减少TE从源头降低噪声显然是一个好主意。

通常的调整TE的方法是在微观层面上改变牙齿表面。这些“微观几何”的修改可以量身定做，以减少TE，但要知道要做什么改变，你需要了解如何在微观层面上的齿轮齿的行为。你还需要考虑的是，你所做的任何微观几何变化也会影响变速箱的耐久性和效率性能。有一个安静的变速箱，在5万公里后就坏了，这是没有好处的。

快速浏览一下图1，你会发现现代自动变速器是一个复杂的庞然大物，许多齿轮同时啮合。这些复杂性使得预测齿轮啮合行为和确定必要的最佳微几何修改变得困难。这可以实现的唯一方式是通过考虑齿轮的背景下的完整传动。所有这些齿轮之间的相互作用和影响意味着，Romax Technology公司RomaxDesigner提供的系统级仿真(一种快速准确的虚拟产品开发工具，能够模拟、分析和优化最复杂设计的NVH、耐久性和效率性能)是使这些齿轮箱静音的必要工具。

快速准确地模拟这些复杂的行为是改进产品的关键。显然，准确性很重要;我们需要能够信任结果并基于它们做出设计决策。当这与快速计算性能相结合时，它将成为各种有用的分析和优化方法的推动者，这些方法依赖于对细微不同设计的重复模拟，我们将在后面看到。

模拟的挑战

与简单的手动变速器设计相比，多啮合行星齿轮箱的优化设计存在许多问题，这意味着Romax技术必须开发出具体的方法来处理自动齿轮箱。

设计的复杂性

行星式自动变速箱零件多，结构复杂。为了模拟它，我们需要表现出这种复杂性，但只需要表现出我们所需要的结果所必需的细节层面——我们不想要一个笨重的模型，因为它需要大量的计算机时间来运行，但我们确实需要在重要的地方包含细节。例如，我们需要非常详细的齿轮几何描述和齿轮齿接触的详细模型，但我们只需要在概念层面上考虑制动器和离合器的仿真。我们还需要考虑变速箱边界条件的影响，无论是在车里还是在试验台上，这样我们的模型才能代表我们实际测试的内容。

负荷分担和偏差

自动变速器通过几个行星齿轮同时分裂传递扭矩来实现其高功率密度。由于内部载荷、制造误差和外部径向载荷(如重力和图1所示的转移齿轮)造成的系统偏转破坏了行星系统的对称性，并导致行星之间不平等地共享扭矩。更糟糕的是，当载体相对于太阳和环旋转时，由于载体刚度的变化，重力的影响，以及在允许的制造和装配公差内行星销位置的轻微变化，这个不等式会发生变化。这的连锁效应是，不同的扭矩在每个齿轮啮合意味着不同的错位在每个齿轮啮合，这些也随着载体旋转而变化。最后一个复杂的问题是不同齿轮啮合之间的相互作用。在行星齿轮排列中，行星齿轮与至少两个其他齿轮相连接。一个齿轮啮合的不对中对其他齿轮啮合的不对中有影响，因为它们都是由同一个齿轮连接的。

这实际上意味着，对这些齿轮啮合的详细分析必须同时模拟所有齿轮啮合的影响(pg. 48的案例研究有9个啮合)，这是正确预测TE所必需的。此外，模拟必须包括扭矩变化和不对准的影响，因为组件旋转。

在RomaxDesigner中，这是通过在几个不同的载体旋转位置对整个齿轮箱进行迭代静态分析来实现的，考虑到所有上述复杂性，建立一个完整的齿轮接触行为剖面。由于使用了优化算法，这是一个相对快速的过程，在几秒钟内给出一个答案。

齿轮啮合逐步

当我们看齿轮呜呜引起一个简单的齿轮副，我们可以说，由此产生的齿轮呜呜噪声是直接成正比的TE。这意味着如果我们发现我们需要减少50%的噪音，那么我们就知道我们必须减少50%的TE。与其他一切一样，行星变速箱的表现并不那么好。

在自动变速器中，我们有许多网格同时活跃，每个网格都在同一时间和同一频率产生自己的TE。然而，这些TE信号的相对相位并不总是相同的。所有TE信号的综合噪声效应都依赖于这种相位。在某些情况下，这些信号叠加在一起，从而加强了所产生的振动(因此司机听到的声音);在另一些情况下，信号相互抵消，特定方向的振动减少。这些相位差在两个层次上产生:主要是由齿轮上的齿数、行星齿轮的数量和定位以及齿轮箱作为一个整体是否对横向或扭转动态力更敏感决定的。相位的微小变化也由齿的微观几何设计引起。在设计过程的早期注意到这一阶段对于优秀的变速箱设计至关重要。

这意味着我们不能简单地用TE来衡量自动变速器的噪声性能有多好，因为单个网格TE和车辆产生的噪声之间没有简单的关系。相反，我们必须使用变速器外壳的振动作为成功或失败的衡量标准，这意味着我们需要一个变速箱的动态模型。

动态响应

预测变速箱的振动响应行为需要两件事:对激励的了解——在我们的例子中，TE，我们知道我们的方法可以准确地预测——以及整个传动系统的动态模型。在动态模型中，我们可以将预测的TE应用于每个网格(包括相位)，并预测壳体上任何位置的响应。这些可以直接与振动测量的真实变速箱。RomaxDesigner包含自动生成动态模型和计算响应的功能。

因此，在行星自动变速箱中模拟齿轮鸣叫有很多困难，但我们已经能够在RomaxDesigner虚拟产品开发环境中实现解决这些问题的方法。接下来我们将看到这些方法可以放在齿轮呜呜故障排除过程中使用。

故障排除问题

与新产品的前期设计一样，优化NVH设计的另一个常见原因是，当现有设计被投入到新的应用中时(例如，一款新车型或与一款新引擎配对)，呜呜声被发现是一个问题。在这种情况下，几乎没有什么大的设计变化空间，如改变变速箱布局、齿数或行星数量。在这些情况下，细化微几何通常被认为是唯一的方法。这里讨论了一个仅基于微观几何修改的示例优化过程，并在后面用一个真实世界的案例研究进行说明。

整个故障排除流程如图2所示。第一步是确定问题发生的条件。这是通过车辆的主观评价来完成的。在车辆和试验台上对噪音和振动进行定量测量，证实了这一点。这些测试的结果形成了与新设计的噪声和振动进行比较的基准结果。如果试验台的结果显示出与车内结果相同的症状，那么所有进一步的模拟和测试都可以在实验室的受控环境中进行。对这些测试结果的分析也得出了导致问题的行星齿轮组的信息。

下一步是创建传输的RomaxDesigner模型。该模型应尽可能接近地代表实际传输测试和边界条件应代表那些测试(车内或试验台)。通常，这意味着变速箱的微几何测试应该被测量和精确的微几何模型中使用。还应测量关键部件的关键尺寸，如行星销位置、轴承座轴承孔位置以及轴向和径向间隙，以确保它们符合设计规范。理想情况下，这些测量应该在生产线上的许多齿轮箱上执行，以检查制造的可变性。如果任何部件超出公差范围(特别是微观几何形状)，那么在进一步调查继续之前，这些制造问题应该首先得到解决。在边界条件方面，我们需要至少近似地模拟变速箱壳体的上下游转动惯量和扭转刚度，以及变速箱壳体的支撑条件。

应将模型的预测与基线测试结果进行比较，以确认模型重现了原始问题的症状。这意味着我们可以确信，我们在虚拟世界中所做的任何设计更改在现实世界中都会产生相同的效果，现在我们可以进入优化阶段。

重要的是，我们为优化选择的加载条件不只是包括那些有齿轮鸣叫问题的条件。我们还需要考虑那些噪音不被认为是恼人的情况。这是为了确保我们所做的任何设计更改不会产生有害的影响，我们避免了解决一个问题却导致另一个问题的可能性。

图2详细介绍了故障排除过程的优化阶段。该过程的核心是参数敏感性研究，其中最重要的参数是变化的，并确定了它们对接触模式和TE的影响。在这个例子中，我们只考虑了微几何参数，但其他参数也可以用同样的方法评估。总的来说，我们希望减少单个网格和所有网格结合在一起的TE，同时仍然保持集中的接触模式和可接受的表面应力，以确保耐久性不受影响。

首先对行星环齿轮啮合进行灵敏度分析，并将修正后的微几何应用于模型中的齿轮(通常这种微几何只应用于行星齿轮，因为在大规模生产环境中很难对内齿轮进行精确的硬或软精加工)。然后对太阳-行星齿轮啮合进行相同的过程，并再次应用修正的微几何。现在记住，在行星齿轮中模拟齿轮鸣叫的困难之一是，对一个齿轮啮合的改变会影响所有齿轮啮合的性能。这意味着我们现在必须回到过去，再次对环行星网格进行分析，看看这些是否需要修改。理论上我们可以重复这个迭代循环，直到达到完美的收敛，然而在实践中，一次迭代通常是足够的。

当然，我们量化噪声性能的目标不是TE和接触模式，而是房屋振动;因此，随着优化阶段的完成，最后的步骤是确认优化设计的新的模拟振动响应降低到可接受的水平。然后通过一次性的原型测试在真正的变速箱中确认这一点，然后重新开始生产修改后的变速箱设计。

案例研究

在SAE的一篇论文中，现代汽车介绍了他们如何使用这些方法解决了一款六速行星自动变速器的齿轮鸣叫问题，该变速器是通过主观测试确定的。随后的定量测试发现，在900 rpm-1300 rpm的发动机转速下，中到高扭矩范围(60 Nm-200 Nm)的噪音水平有所增加。

建立了一个完整的齿轮箱模型，包括详细的轴、轴承、齿轮和轴承座(图1)。轴套的径向间隙和轴承的内部间隙由设计公差计算，考虑了操作条件下的热膨胀。实际测试齿轮箱的细节(间隙和测量的微几何)被用于模型的最大模拟精度。采用三种载荷工况进行测试和分析，以覆盖操作扭矩范围。然后，RomaxDesigner被用来预测变速箱外壳的振动，其结果与基线测试的测量结果进行了很好的比较(图3)。

对噪声测量结果的分析表明，后行星系统是齿轮呜呜噪声的来源(图4)。该齿轮组是一个倒转的行星排列，包括一个太阳齿轮、三个内、外行星齿轮和一个环形齿轮。将上述微几何优化过程应用于齿轮组，生成了修正的微几何设计。图3显示了基准和优化设计在一个位置的预测振动响应的比较。由于推荐的微几何设计变化，预计会有一个明确而显著的改进。为证明优化设计的有效性，制造了原型齿轮并安装在变速器中。在试验台上对改进后变速器的噪声和振动进行了测量，结果如图5所示，在问题转速范围内，辐射噪声降低了6dB，达到了要求的噪声目标。