LMS变速器仿真解决方案

1 变速器动力学与结构耐久性分析

齿轮箱作为变速器的主要和关键部件，在产品研发过程中最关心的工程品质包括疲劳耐久性与可靠性、振动噪声等。

变速器通过齿轮箱的齿轮啮合和传动轴进行载荷传递和变速，在传动过程中，变速器承受发动机的高频交变载荷，同时包括传动链下游和整车的负载，同时由于齿轮传动本身的特点，因此齿轮、传动轴、箱体等部件都承受变化的载荷，容易在轮齿、传动轴等部位产生损伤和破坏。长期以来，变速器和齿轮箱的结构强度与疲劳可靠性一直是动力总成开发研究的重点之一。

除了疲劳破坏问题，交变载荷同时也会激发齿轮箱结构的振动并引起辐射噪声，此外，变速器可能会与传动链的上下游部件发生动力耦合而产生振动噪声问题。变速器的振动和噪声是整车NVH分析中的重要部分。

变速器和齿轮箱的结构强度与疲劳可靠性分析、振动噪声分析都属于多学科分析的范畴，在分析过程中需要综合多体动力学、有限元、疲劳、振动与声学分析等多种学科和分析方法。LMS b为这两类问题的分析提供了综合性的多学科解决方案，能够在一个平台中完成整个分析流程。

本节主要介绍b齿轮箱结构可靠性分析解决方案，下节介绍振动噪声分析方法。

基于b Structure、Motion以及b Durability等模块，LMS 为齿轮箱传动及轮齿接触载荷计算、结构强度和疲劳分析提供一体化的仿真分析解决方案。

齿轮箱输入轴接收来自发动机的扭矩，将载荷传递到齿轮和下游传动链，在传动过程中轮齿啮合运动产生的非均匀啮合力是齿轮箱的轮齿齿根、传动轴产生疲劳断裂的重要原因，同时也是结构振动和声辐射的重要原因之一。因此，齿轮箱的传动计算、轮齿接触分析与载荷计算、疲劳分析和振动噪声分析是密不可分的，几个学科之间具有不可分割的联系，在分析时需要进行整体考虑。

基于CAE仿真对齿轮箱进行动强度和疲劳分析的流程包括两个步骤：

1)通过多体动力学进行传动和载荷分析，要求是齿轮啮合力和传递载荷

计算要准确；

2)以载荷为基础，结合有限元模型，进行动强度和疲劳分析。

齿轮箱疲劳分析的流程可以用下图表示：

首先，b Motion中提供强大的齿轮箱多体系统和轮齿接触力建模工具。轮齿接触力模拟的准确性对后续的振动、噪声和疲劳分析具有至关重要的作用，这一点b Motion针对不同分析目标提供了多种轮齿接触模型：☝基本的齿轮啮合运动学模型，主要用于初步的运动学计算

☝基于基本接触力建模的啮合模型

☝基于CAI/ISO等复杂齿轮啮合力物理模型的建模方法，可以考虑啮合刚度、啮合频率的变化，以及齿隙对载荷的影响

☝基于b Motion独特的超单元建模技术，同时可以通过模板自动生成齿轮对的几何模型

☝基于复杂3D接触和有限元技术的齿轮接触分析，可以考虑齿轮的修型和表面特征等，获得轮齿和齿根上精确的载荷与应力分布此外，通过对齿轮传动轴的柔性化、轴承的精细建模，可以详细分析轮轴的不对称性，并分析详细的轴承力，为齿轮箱疲劳分析以及振动和噪声分析准备精确的载荷。

下图为GM基于b Motion建立的变速器齿轮箱模型：

其次，在计算得到载荷的基础上进行疲劳分析。b Durability提供了全面的疲劳分析方法，包括高周疲劳、低周疲劳、多轴应力疲劳、焊点与焊缝疲劳、振动疲劳等各种分析类型。

b Durability与b Motion可以紧密集成，进行一体化的疲劳分析，疲劳分析可以从多体动力学分析获取精确的载荷。b Durability 疲劳分析的载荷信息可以通过b Motion多体动力学结合刚柔耦合分析计算系统部件内力和应力谱得到，仿真模型和计算结果的准确性可与试验进行相关性分析而标定。b把多体动力学b Motion进行的载荷预测和LMS b Durability部件疲劳求解器的效率和精度结合，可以在多体分析中使用柔性体来改善应力预测，并无缝地用于耐久性分析。这一过程可由b Motion、b Stucture、b Durability协同完成，如下图所示：

这样，齿轮箱的传动和载荷分析可以与疲劳分析形成一体化的分析流程。在第一步中通过b Motion刚柔耦合分析得到的载荷可以无缝传递到b Durability中进行疲劳分析。

2 变速器的振动与噪声分析

随着汽车工业的迅速发展，人们对于汽车的舒适性和振动噪声控制的要求越来越严格。噪声的控制，不仅关系到乘坐舒适性，而且还关系到环境保护。振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的，既要减小振动，降低噪声，又要提高乘坐舒适性，保证产品的经济性，使汽车噪声控制在标准范围之内。变速器和齿轮箱是汽车噪声的重要来源之一，因此齿轮箱的减振降噪非常关键。

齿轮箱噪声主要来自于由载荷引起的结构振动，因此与疲劳分析相似，齿轮箱的动力学仿真、轮齿接触与载荷分析、振动噪声分析等几个学科之间具有不可分割的内在联系。在齿轮箱轮齿接触、振动与噪声分析方面，LMS b 提供了集成的多学科仿真平台，b Structure、Motion、NVH和Acoustics 等模块的结合为齿轮箱的振动噪声分析提供了完整的解决方案。

b齿轮箱振动与噪声分析的流程可以用下图表示，对齿轮箱的振动和噪声分析是通过在多体动力学齿轮啮合传动分析中对齿轮箱的柔性化，获取齿轮箱表面振动，并结合FFT方法、b NVH和Acoustics等模块实现的。

首先，通过b Motion建立齿轮箱传动和齿轮啮合计算的多体动力性模型，计算传动过程中的齿轮载荷，并分解到轴承位置。另外，为了计算齿轮箱箱体的表面振动，需要将箱体建立为柔性部件。

然后，在b NVH中，基于Motion计算得到的轴承载荷，对齿轮箱箱体进行振动响应分析，该响应分析基于频率域进行。计算结果得到箱体的表面振动响应。

第三步，通过b网格粗化技术，自动建立齿轮箱的边界元网格模型。将齿轮箱箱体表面振动映射到边界元模型上，基于边界元及ATV技术，计算辐射声压。这一流程可以用下图表示：