齿轮NVH专题一：齿轮啸叫分析
1.研究背景
电动汽车行业的迅猛发展，为消费者提供了更加多样的选择，作为最直观的驾驶体验，电动汽车的NVH仍然是许多消费者购买的评价指标之一。由于空套齿轮的减少以及扭矩输出相对平稳，减速器敲击噪声并不明显，齿轮啸叫噪声成为减速器主要NVH问题。随着计算机性能的提高，数值方法提供了一种有效的分析方法，可评价已有电机的NVH性能并能对电机的优化设计提供指导性意见。本文介绍利用专业传动系统设计计算软件Romax针对减速器中齿轮啸叫的详细计算流程。利用Romax软件强大的模拟能力，可快速判断响应力数值大小，并可以对设计方案提供指导意见和改进建议。基于数值模拟方法的声学设计可以逐步取代或者部分取代经验设计，可高效的用于指导减速箱的声学性能设计
2.齿轮箱振动噪声机理
齿轮副在啮合过程中产生的动态载荷，动态载荷主要为齿轮啮合过程产生的啮合冲击。其产生的机制为传递误差或像轴与齿轮之间的同心度这样的几何误差以及载荷作用下由于齿轮、轴或外壳的变形而引起的偏离齿轮定律的偏差共同作用的结果。然而,为避免这些啮合冲击进行的齿轮修形校正仅仅对某一载荷范围才会有效。3.建立齿轮NVH分析模型
3.1建立齿轮多体动力学刚柔耦合模型
在Romax中完成轴、齿、箱体、轴承建模后，可以得到Romax模型。利用3D建模软件，对输入轴、中间轴、输出轴、减速器壳体进行建模，并将三维几何模型文件利用HyperMesh进行网格划分，最后得到齿轮箱总成有限元模型.3.2齿轮NVH分析参数设置
导入有限元数据都是一样的操作，本文中以输出轴为例。先将之前建立好的轴模型，转换为FE轴模型，再将有限元模型导入，在“定位FE数据”窗口中对模型位置进行修改。有限元数据导入后，对节点连接进行查看，并显示所有节点连接确认。分析: 可以对模态阶数或者频率范围进行设置。如果选择设置频率范围，那么模态阶数仍然被限制最大为9999阶。软件中必须直接设定频率范围，而不是间接地设置轴的转速范围，因为在查看受迫响应图时，需要设置默认的转速范围（X轴）。• 模态阶数 - 定义模态的阶数，最高的模态频率需要略大于动力学分析所关注的最大频率推荐模态频率设置为动力学所关注频率的1.5倍以上。• 轴速度范围 - 为受迫响应设置默认的转速范围。在有限元缩聚界面中，选择“频率范围”，数值与分析界面中一致，勾选“重置浓缩的矩阵”。在有限元模态振型中，全部勾选，确定退出。有限元缩聚 : 此部分包括静力学缩聚和动力学缩聚的设置：• 静力学缩聚 - 仅缩聚刚度矩阵。若在Romax软件中执行动力学分析，必须要选择静力学或动力学缩聚二者之一。• 模态阶数 - 最高的模态频率需要略大于动力学分析所关注的最大频率—推荐模态频率设置为动力学所关注的最大频率的1.5倍以上.。双击齿轮箱装配件，上方操作栏中点击“分析”，选择“缩聚有限元模型”，等待缩聚结束即可。至此有限元数据导入完成。4.齿轮NVH结果分析
4.1传递误差结果分析
首先需要运行载荷谱静力学分析，检查此时模型中是否存在错误。然后进行微观几何参数分析。软件中，结果窗口弹出时，默认显示横轴为滚动角、纵轴为端面传动线性误差的结果图。在窗口左部的结果图类型栏中，用户可选择Y轴表达结果的类型。默认视图是显示齿轮旋转接触周期的传动误差结果，表示一个轮齿啮合周期内的传动误差。传动误差的数值和图中显示的数据可以通过点击“查看数据表”标签进行查看，如图所示。一档齿轮的传动误差幅值是 0.23 um，为峰-峰值。通过设置Y轴显示的选项，可以查看其它类型的结果图：• 传动误差错位 - 齿轮啮合旋转周期内错位量的变化情况。对于单齿啮合来说，错位量是常数，因为错位量是通过轴的变形计算出来，不会随着齿轮旋转而变化。• 轴向传动误差齿通过谐波 - 横轴为轮齿啮合频率的谐波，纵轴为端面传动误差的 FFT幅值。• 错位传动误差齿通过谐波 - 因为错位量是常数，不随齿轮旋转而周期性变化，所以不存在傅里叶变化的幅值，所以此数值不存在。• 轴向传动误差齿谐波 - 总轮齿通过频率为横轴、端面传动误差谐波为纵轴的结果图。• 错位传动误差齿谐波 - 总轮齿通过频率为横轴、端面传动误差的FFT幅值为纵轴的结果图。• 轮齿端面载荷 - 啮合周期内，齿轮端面方向上，每个轮齿接触时齿面上的接触载荷• 理论轴向重合度 - 齿轮啮合周期内理论上的最大接触齿宽4.2轴承力分析结果
查看模型当前工况下传递误差，我们可以得到以下信息：对模型进行动力学分析，在界面中依次选择“齿轮啮合响应——线性”、“结果——力、平移”、“方向——X、Y、Z”、“响应节点——轴承1”、“响应阶次”，点击更新即可得到计算结果。• 在3200rpm的时候，轴承1受到的Z方向力较大；• 在4000rom之后，轴承1受到的X方向力较大；• 在所有转速下，轴承1的分向轴承力最大值是69N；• 轴承1在1800rpm和8100rpm时，受到的力最小。5 齿轮NVH优化分析
5.1齿轮微观修形自动优化
首先我们建立齿轮微观修形自动优化流程设计图，判定当前是否需要进行优化，由前面章节可知，二级齿轮组传递误差峰峰值＞0.5μm，不符合要求，所以我们对齿轮进行微观修形自动优化。根据自动优化流程步骤输入，最后得到优化结果，选取最佳方案并应用。应用最佳齿轮微观修形方案后，分析齿轮的传递误差峰峰值，与原方案传递误差峰峰值对比，可以看到二级齿轮组传递误差峰峰值有明显下降。对比滚动轴承1在6.911阶次下x、y、z方向的轴承力图，可以看到轴承力曲线趋势相同，数值大幅度下降。5.2齿轮精度等级对NVH的影响
为了探究齿轮精度对NVH性能的影响，我们以当前模型为例子。首先我们记录当前未进行齿轮微观修形自动优化的传递误差峰峰值。现在我们分别将一级齿轮组组的齿轮精度设置为精度5和精度6，并记录该精度下load 100%工况时的传递误差峰峰值大小。通过计算我们能看到，在load 100%工况的情况下，6级精度的传递误差峰峰值为0.9551μm，5级精度的传递误差峰峰值为0.5885μm。接下来对比在load 100%工况下，轴承力对比。在26阶情况下，对轴承1所受轴承力进行对比，在6级精度下，最大单向分力为58N,在5级精度下，最大单向分力为32N。在load 100%工况下，通过对一级齿轮组的5级精度和6级精度中最差值筛选，可以得到6级精度的传递误差峰峰值极值更大。当主减速器的结构和微观修形均无法达到工艺要求时，可以通过对齿轮精度进行把控，来降低传递误差峰峰值，提升NVH性能。6.总结
通过Romax软件，建立齿轮多体动力学刚柔耦合模型，设置齿轮NVH分析参数，对齿轮箱进行NVH性能分析，分析传递误差、错位量、轴承力等结果是否符合NVH性能要求，对不满足NVH性能要求的设计方案，进行齿轮微观参数自动优化，并分析齿轮精度等级对齿轮NVH性能影响。温馨提示: 齿轮NVH专题我们将分四期与大家分享呈现，将涉及齿轮啸叫噪声、齿轮敲击噪声、电机扭矩波动激励齿轮噪声、行星齿轮噪声等内容，敬请关注！
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