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一種新的、基于CAE模型的動力學(xué)和聲振預(yù)測方法，證明了通過在設(shè)計階段精確地預(yù)測齒輪噪聲，達(dá)到縮減設(shè)計時間和工程成本的可能性。Elasis與LMS工程咨詢服務(wù)部通力合作，通過建立一種精確的CAE模型來仿真變速箱的噪聲。這個CAE模型可仿真噪聲源在各種運行狀況下的噪聲生成機制。為了驗證這一CAE模型，在建模過程的每個階段都做了實驗測試。該方法比原型實驗?zāi)芴峁└�多有關(guān)噪聲根本成因方面的信息，并且有可能以更低的成本，更快、更早地開發(fā)出解決方案。

隨著汽車制造商作出持續(xù)的努力，已使發(fā)動機噪聲和路面噪聲顯著降低，傳動裝置的噪聲問題則因其它噪聲源對其掩蓋性不斷減小而變得愈發(fā)突出。傳動裝置的設(shè)計師必須應(yīng)對諸多不同狀態(tài)下出現(xiàn)的噪聲問題，譬如離合器發(fā)出的哐當(dāng)聲，齒輪發(fā)出的嗚嗚聲，齒輪發(fā)出的咯咯聲和動力傳動系的轟聲等。實際上，變速箱噪聲主要是齒輪的嗚嗚聲（whine）和咯咯聲（rattle）這兩類噪聲。

 
通過安裝有虛擬發(fā)動機模擬裝置的測試，工程師們可以評估手動變速箱的聲學(xué)性能

主噪聲的產(chǎn)生機理

齒輪的嗚嗚聲,是一種與齒輪副的齒數(shù)相對應(yīng)的、含發(fā)動機轉(zhuǎn)速多階次頻率的復(fù)雜諧音噪聲。在旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，互相接觸的齒數(shù)是變化的，譬如說，在某一時刻有兩個齒互相接觸，而在另一時刻則有3個齒互相接觸。另外，齒輪副的接觸點會不斷地沿齒面移動。每一個齒均可視為齒根固定的梁，梁的彎曲剛度隨接觸點在梁上的移位而改變。對某指定的齒而言，當(dāng)接觸點向齒根移動時其剛度在增大，當(dāng)接觸點向齒頂移動時其剛度在下降。

這一現(xiàn)象被認(rèn)為是附加剛度隨時間變化。齒輪咯咯聲是由于那些不帶負(fù)荷的傳動齒輪可在一個小范圍內(nèi)自由運動而產(chǎn)生的噪聲，即由于兩個齒輪的齒間切向間隙和齒輪與軸之間的徑向和軸向間隙所引起的噪聲。齒輪之間的撞擊和齒輪與軸之間的撞擊這種金屬之間的碰撞，會產(chǎn)生寬頻帶的振動，并由此形成咯咯聲。這種碰撞是由于燃燒力隨時間變化引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動所造成的。齒輪的嗚嗚聲和咯咯聲作為源，經(jīng)由軸承的傳遞，最終激發(fā)起變速箱箱體的振動，而振動的箱體也隨之成為噪聲輻射源。

從構(gòu)建-測試轉(zhuǎn)移到CAE

今天，傳動系統(tǒng)的制造商在原型試驗階段花費大量的時間和精力去對付上面說到的那些問題。他們在發(fā)動機怠速及通過不同齒輪來變速時，評估在不同檔位上生成的傳動系噪聲。這一途徑的問題在于建造原型，進(jìn)行實物測試，并為力求解決存在的問題而去修改原型的代價非常昂貴和費時太長。
另一問題是實物測試所能夠提供的信息，會受到可用于對傳動系做測試的傳感器數(shù)量和精度的限制。居于這些理由，Elasis開始探索在有原型之前的設(shè)計階段，就著手評估和分析變速箱噪聲。

這樣做的目的，是為了在早期的設(shè)計階段，就能評估其聲振性能，優(yōu)化設(shè)計，減少或消除原型階段的故障。Elasis 和 LMS 成功地引入的一個方法，是分析變速箱殼體在其軸承上作用有已知力時引起的振動和噪聲，并分析噪聲是怎樣傳遞到車內(nèi)的。對變速箱殼是通過有限元（FE）模型和邊界元（BE）模型來建模的，軸承上的作用力是通過試驗方法確定的。例如采用傳遞路徑分析（TPA）方法。試驗和仿真的結(jié)合還用于識別殼體的薄弱部位，并提出有效的修改意見，諸如增加肋板或改變殼體的壁厚等。

如果當(dāng)前的變速箱設(shè)計已可用于測試，那么上述方法的輸入力就可以用當(dāng)前的變速箱設(shè)計為基礎(chǔ)予于確定，或是通過對相類似的變速箱做試驗來給定。這一途徑適用于噪聲問題涉及變速箱殼體共振的情況，這種共振放大了軸承所承受的內(nèi)力。然而，由于該問題主要源自強激振力，對箱體的結(jié)構(gòu)修改很可能尚不足以奏效，需要采取其它手段才能解決問題。

 
首先通過有限元模性針對內(nèi)部傳動系統(tǒng)的運動進(jìn)行建模

從噪聲源源頭減少噪聲

Elasis隸屬于菲亞特的工程公司，主要為菲亞特汽車公司和菲亞特-通用汽車動力總成合資企業(yè)（FGP）進(jìn)行車輛和動力總成的研究和開發(fā)工作。在當(dāng)前的課題中，LMS 和 Elasis 在該方法的基礎(chǔ)上，更為精細(xì)地分析了新的傳動系統(tǒng)的噪聲源。他們面臨的挑戰(zhàn)是對傳動系統(tǒng)內(nèi)部運行狀況的精細(xì)建模十分復(fù)雜，它要求必須精確地預(yù)測出伴隨齒輪咯咯聲的內(nèi)部寬頻動態(tài)力。

LMS的工程專家開發(fā)出一種多體仿真和邊界元分析相結(jié)合的手段，來掌握傳動系統(tǒng)內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的根本原因。第一步是用LMS多體動力學(xué)軟件創(chuàng)建一個能結(jié)合齒輪剛度、齒輪游隙、軸承特性、輪轂和套筒連接屬性之間內(nèi)部傳動機理的動力學(xué)模型。諸如軸和箱體等零件的柔度，可利用有限元模型所得到的模態(tài)參數(shù)來表示。在該項目中，每對相接觸的齒的剛度認(rèn)為是常量，由于忽略齒間移動接觸引起的剛度變化，關(guān)注的重點便集中在齒輪的咯咯聲上。當(dāng)關(guān)注的重點放在齒輪的嗚嗚聲時，也可以擴展采用這一辦法。例如，以一個解析關(guān)系式給出齒的剛度作為與齒的接觸位置相關(guān)參數(shù)的函數(shù)。下一步是使用LMS聲學(xué)仿真軟件建立變速箱殼體的邊界元模型，以便預(yù)測仿真環(huán)境下的噪聲輻射。

 
其次，建立聲振邊界元模型仿真來預(yù)測輻射性的變速箱噪聲

模型精度的檢驗

Elasis的NVH部已建立起一整套極先進(jìn)的測試裝置來評估人工變速箱。該裝置是一個虛擬發(fā)動機仿真器(VES)，具有重現(xiàn)波動頻率上限達(dá)500Hz的速度和扭矩的能力，這與實際的內(nèi)燃機所產(chǎn)生的速度和扭矩相類似。從而可免除在真實的發(fā)動機上做測試的需求，確保變速箱為記錄噪聲唯一的源，還可避免發(fā)動機噪聲的掩蔽效應(yīng)，集中對齒輪咯咯聲做深層次的研究。

該課題進(jìn)行中獲得的的一個重要的認(rèn)識是，在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機軸的轉(zhuǎn)速波動是齒輪咯咯聲增大的主要原因。多體仿真的輸入是由發(fā)動機速度波動所表征的燃燒脈動，及表征車輛載荷的傳動系統(tǒng)阻力矩。通過在輸出軸上施加阻力矩的同時，在飛輪上輸入波動轉(zhuǎn)速，在第五對齒輪副上進(jìn)行多體仿真。變速箱殼體則作為噪聲輻射器。

由于是利用有限元模型的模態(tài)對柔性部件的特性作仿真，作為時間函數(shù)的模態(tài)參預(yù)因子在多體仿真過程中被求出。它們被轉(zhuǎn)換到頻域，并應(yīng)用于變速箱的聲振模型，實施噪聲輻射的預(yù)測。

這一方法使Elasis能在尚無原型結(jié)果的早期開發(fā)階段，做出更佳的設(shè)計決策。與建造-測試的方法相比，該方法能從新提出的設(shè)計中獲得關(guān)于性能方面更為詳細(xì)的信息，并可更快地、以更少的費用來評估替換的決策。隨著這一新的仿真方法的進(jìn)一步完善，并得到Elasis更廣泛的應(yīng)用，使傳動系統(tǒng)的設(shè)計方法獲得顯著的改進(jìn)

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