如何在ComsolMultiphysics®中建模变速箱振动和噪声

齿轮用于各种应用，例如时钟，工业机械，音乐盒，自行车和汽车。变速箱是振动和噪声的主要来源，无论其使用方式如何。减少变速箱噪声辐射的最有效方法是进行敏捷声分析以改善设计。让我们看看如何使用ComsolMultiphysics®软件来帮助构建更安静的传输系统。

变速箱的噪声，振动和刺激性（NVH）分析

变速箱组件通常由齿轮，轴，轴承和外壳组成。操作时，变速箱会在周围环境中散发噪音，原因有两个：

1. 在轴承和外壳上传输不想要的侧向力和轴向力，同时将功率从一个轴传输到另一个轴
2. 变速箱不同部分的灵活性，例如齿轮网，轴承和外壳

在变速箱中的所有组件中，振动或噪声的主要来源是齿轮网。可以这样说明的典型路径，然后进行结构振动，被视为周围区域中的噪声辐射：

齿轮和嘎嘎声

由于齿轮网格的产生的噪声可以分为两种类型：齿轮抱怨和齿轮嘎嘎声。

齿轮的呼吸是变速箱中最常见的噪声类型之一，尤其是在加载条件下运行时。齿轮的抱怨是由于网络上存在传输误差以及变化的网格刚度而引起的。这种类型的噪声发生在网络趋势频率下，通常在1 m的距离时测量50至90 dB SPL。

齿轮嘎嘎声主要是当变速箱在卸载条件下运行时。典型的例子是以闲置速度的柴油机和卡车等柴油发动机车辆。齿轮嘎嘎声是由变速箱的卸载齿轮对引起的冲击引起的噪声。润滑目的所需的反弹是直接影响齿轮噪声的齿轮参数之一。如果可能的话，简单地调整强烈反弹量可以减少齿轮嘎嘎声。

传输错误

我们知道传输错误是齿轮抱怨的主要原因，但是到底是什么？当两个刚性齿轮具有完美的特征时，输出齿轮的旋转是输入旋转和齿轮比的函数。输入轴的恒定旋转导致输出轴的恒定旋转。可以有各种意外的和预期的理由来修改齿轮齿轮廓，例如齿轮跳动，未对准，牙齿尖端和根部浮雕。这些几何误差或修改可能会引入输出齿轮旋转的错误，称为传输错误（TE）。在动态载荷下，齿轮挠度也增加了传输误差。组合错误称为动态传输错误（DTE）。

comsolMultiphysics®中的变速箱振动和噪声

将齿轮的抱怨或嘎嘎声降低到可接受的水平是一个巨大的挑战，尤其是对于现代复杂的变速箱而言，这些变速箱由许多齿轮同时组成。通过准确模拟这些复杂的行为，我们可以设计一个安静的变速箱。Comsol Multiphysics使设计师能够准确识别问题并在允许的设计约束中提出现实的解决方案。有了这样的工具，我们可以优化现有的设计，以减少噪声问题，并在生产阶段之前的过程中早些时候深入了解新设计。

一个变速箱型号在ComsolDesktop®中。

让我们考虑一个手动传输车辆的五速同步变速箱，以研究齿轮噪声向周围区域的振动和辐射。变速箱在汽车中，用于将电源从发动机传递到车轮。

手动变速箱车辆的五速同步变速箱的几何形状。

为了在数值上模拟变速箱振动和噪声的整个现象，我们进行了两个分析：

1. 多体分析
2. 声学分析

在多体分析中，我们计算以时域中指定的发动机速度和输出扭矩执行的齿轮和外壳振动的动力学。为了进行声学分析，我们使用壳体的正常加速度来计算变速箱外部的声压水平，以作为频率作为噪声来源。

分析变速箱中的振动

首先，我们调查了Synchromesh变速箱中的齿轮布置。在这里，使用螺旋齿轮将功率从驱动轴的输入端传递到柜台轴，然后从柜台轴到驱动轴的输出端。

五速同步齿轮箱中的齿轮布置，不包括将齿轮与主轴连接的同步环。

模型中使用的齿轮具有以下属性：

财产	价值
压角	25 [deg]
螺旋角	30 [deg]
齿轮网格刚度	1E8 [n/m]
接触率	1.25

柜台轴上的所有齿轮都固定在轴上，而驱动轴上的齿轮可以自由旋转。一次只固定一个齿轮。在现实生活中，这是在同步环的帮助下实现的。在模型中，具有激活条件的铰链接头用于与驱动轴有条件地接合或脱离齿轮。

看着轴，假定它们是刚性的，并通过铰链接头搁在外壳上，而壳体则假定柔韧性，进一步安装在地面上，并在其末端之一连接到发动机。在发动机速度，载荷扭矩和接线齿轮方面考虑的驾驶条件如下：

输入	价值
引擎速度	5000 [rpm]
负载扭矩	1000 [N-M]
订婚的装备	5

通过这些设置，可以运行多体分析并计算本动画中所示的外壳振动：

冯·米塞斯（Von Mises）在外壳中的应力分布以及不同齿轮的速度。

为了更好地了解正常加速度随时间的变化，我们可以选择变速箱外壳上的任何点。该时间的正常加速度的时间历史如下。让我们使用FFT求解器将此结果转换为频域。这样，我们可以找到振动的频率内容。从频率响应图可以清楚地看出，外壳的正常加速度包含一个以上的主要频率。外壳振动主导的频带为1000–3000 Hz。

变速箱外壳上一个点的正常加速度的时间历史和频谱。

对变速箱噪声进行分析

一旦我们模拟了变速箱中的振动，让我们看看如何对Comsol多物理学中的噪声辐射进行建模。首先，我们在变速箱外创建一个空气域，以模拟周围环境中的噪声辐射。

为了使多体动力学和声学作用，我们假设一个单向耦合，因为外部流体是空气。这意味着变速箱外壳的振动会影响周围的流体，而从声波到结构的反馈被忽略了。这是一个很好的假设，即问题是单向耦合。

对一系列频率进行声学分析。当多体分析在时域中求解时，FFT求解器用于将外壳加速器从时域转换为频域。

封闭变速箱的空气域进行声学分析。显示了两个用于测量噪声水平的麦克风。

作为噪声的来源，变速箱外壳的正常加速度应用于声学域的内部边界。为了避免来自周围域外边界的任何反射，我们采用球形波辐射条件。通过这些设置，我们可以解决声学分析，并查看近场的声压水平以及在不同频率下的变速箱外壳的表面。为了更好地了解噪声辐射的方向性，我们可以在不同频率下在不同平面上创建远场图。

近场（左）和变速箱表面的声压水平（右）。

远场声压水平在1 m的距离处xy- 平面（左）和xz- 平面（右）。

在可视化外场的声压水平之后，有趣的是在特定位置找出频率的变化。为此，将两个麦克风放在特定位置。

麦克风	放置	位置
1	变速箱的侧面	（0，-0.5 m，0）
2	变速箱顶	（0，0，0.75 m）

这些麦克风位置在参数结果中的节点可以更改，而无需每次更新解决方案。

两个麦克风位置的压力幅度的频谱。

麦克风位置的压力响应图可以很好地了解噪声中存在的频率含量。但是，如果我们真的可以像物理实验一样听到麦克风记录的噪音，那不是很好吗？通过使用压力的幅度和相位信息作为频率的函数，用方法编写Java®代码，这是可能的。

让我们听听与两个麦克风接收到的噪声相对应的声音文件…

我们已经研究了各种频率的声学结果。在时域中看到他们也很高兴。让我们使用FFT求解器将结果从频域转换为时域，以便我们可以看到变速箱周围区域中的瞬态波传播。

动画显示了变速箱周围区域中的瞬态声压波传播。

设计一个带模拟的安静变速箱

上面的方法描述了一种对夫妇多体系分析和声学模拟的技术，以便准确地计算从变速箱中的噪声辐射。该技术可以在设计过程的早期使用，以改善变速箱，以使噪声辐射在变速箱的工作速度范围内最小。此外，方法 - 符合ComsolMultiphysics®软件的5.3版本的新功能 - 使我们能够真正听到变速箱生成的噪声 - 使模拟更接近物理实验。

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