P Z公司选用LMS声学仿真软件减小CVT齿轮箱的噪声辐射

P＋Z公司选用LMS声学仿真软件减小CVT齿轮箱的噪声辐射

作者：LMS

近年来，无级变速（CTV）已经获得了巨大的技术进步，以更低的油耗和更好的性能提供了方便。然而，无档变速的宽带噪声激励也形成了特殊的声学工程挑战。在为领先汽车厂商开发咨询项目的过程中，P＋Z公司有效地优化了新型CVT设计方案的声学性能，无需增加额外的重量或提高产品成本。成功的秘诀在于P＋Z公司开发的专门的虚拟仿真流程，在开发过程早期准确地限定设计的声学性能。LMS SYSNOISE，流程中关键的一部分，支持P＋Z部门以空前的速度、准确率和灵活性来进行声学辐射仿真。

处理宽带声学激励

今年来，P＋Z公司，作为领先的德国工程咨询公司，致力于领先汽车厂商的各种CVT开发项目。这些项目中，P＋Z公司主要关注优化新型CVT设计方案的声学性能，这与常规的齿轮箱相比，通常会面临不同的声学挑战。尽管带有成组齿轮的手动或自动齿轮箱主要在固定频率范围内产生噪声峰值，但是无档变速齿轮箱通常在宽带频谱范围内产生振动。在慕尼黑的P＋Z公司CAE齿轮箱项目经理Gisela Quintenz评价到：“为避免使用阻尼材料，造成更高的产品成本，减少热传导，我们建立了专门的声学仿真流程，从早期概念阶段就开始有效地应用。早期设计阶段进行的声学仿真可以让我们在实现整体齿轮箱设计修改，如调整轴承位置或修改CVT箱体设计的过程中，确定并消除主要声学问题的根源。”

虚拟仿真流程开始于创建CVT装置的结构有限元模型。除了箱体以外，P＋Z工程师仔细地模拟所有内部部件，包括涨缝滑轮、链条、轴和轴承。如果可能，发动机的结构也可以模拟。这点上，正确定义其初始重量、重心和凸缘设计是非常重要的。完成模型后，P＋Z 工程师进行初始动力学分析，找出装配模型的固有频率特征。为了进行随后的工况振动计算，他们从最临界的工况条件开始。相关的轴承激励可以从试验台上的样机测量中引入，或者从多体仿真中引入。P＋Z工程师选用频率阶跃大小为1或者10Hz，在频率为0-4KHz 的范围内进行频响分析，这样通常导致工况振动过剩。挑战就集中在相关的声学现象。

模拟最终的声学辐射

振动CVT箱体表面和内部部件产生的噪声强度可以用声学仿真来研究。从装配的CAD或有限元模型开始，P＋Z工程师创建声学边界元模型（BEM）。CVT的边界元模型通常由15000多个平均单元大小约10mm的单元组成，可以准确地进行高达4KHz的声学预测。P＋Z使用LMS SYSNOISE对与未来声学试验相关的麦克风位置，或者离物体一米远处建立的ISO半球上点的声压级进行计算。使用这种场点网格，LMS SYSNOISE将CVT的边界元模型作为其间接非耦合边界元仿真方法的输入。这种仿真方法可以计算声学传递向量（ATV）的矩阵。Gisela Quintenz解释到：“LMS SYSNOISE产生ATV，并将其和来自传统频响分析的普通表面速度相结合。清晰的声压图表让我们关注关键的共振现象，通过评价单元贡献量图谱，我们能够找出相关的声学热点，选择最恰当的设计修改方案。LMS ATV

法是这种方法中的基本部分，它通过对备选设计修改方案的声学评价，提供了无与伦比的仿真速度。

表带式的钢质传动链，仅仅靠锥形圆盘对与链条表面之间的摩擦力传递力矩

为优化早期CVT设计的声学性能，P＋Z工程师评价了一系列设计修改方案，包括轴承位置、总成和底盘间的连接、轴的几何形状、铸件材料和外壳形状。工程师对法兰的设计尤其关注，因为它有时可以大大减小噪声的产生。在声学仿真的过程中，应该系统地考虑重新使用某种先前部件的可能性。在开发过程的这个阶段，P＋Z工程部门通常可以减小局部声压至少6分贝。

由LMS SYSNOISE预测出的辐射噪声的指向性，也影响到合理对策的选择。

最有效的对策组合

随后的开发阶段由声学仿真修改循环组成，它可以优化功能、装配和铸件，还可以减少成本和重量。只有在此阶段末，总成的第一个功能性实物样机才可以用于声学测量。尽管此样机并不是最新的设计，但是它仍然可以标定虚拟模型，并且能够进一步提高未来仿真过程的可靠性能。Gisela Quintenz强调了很多典型的工程挑战，并说明了他们在修改阶段是如何处理这些问题的，“在此阶段进行的CVT齿轮箱设计的虚拟仿真通常包括外壳及其内部支架的几何形状优化。筋和槽的应用可以避免在外壳表面上额外的局部薄膜振动。除了模拟形状修改的效果外，LMS SYSNOISE还能够评价模制外壳壁的厚度变化。更加刚性的设计，如使用皱折或筋，通常会将共振改变至更高频率，并且降低局部辐射噪声的振幅。然而，在某些特例情况中刚性措施扩大了振动表面区域，声压级也提高了。在这种情况下，拱形外壳设计就是一个有效的解决方案，它不仅可以改变共振频率，还可以显示出声压级的减小趋势。在某种情况下，需要应用与众不同的对策来解决特殊的声学问题，如内部轴承支架的声学问题。当刚度和重量变化不能明显减小声压级时，将内部轴承支架分离成两个稍做修改的独立部件，可以实现目标声压等级。”在确定齿轮箱设计之前，工程师还要完成电子模块的集成，调整整个齿轮箱的硬度，并评价齿轮箱加油的影响。

优化声学CVT性能的措施，典型是改变形状或位置，或者加肋条或开凹槽。

除了深入的专业知识和丰富的经验以外，进行复杂声学工程项目的经验也可以提供高性能和可靠的工程解决方案。Gisela Quintenz总结到：“LMS SYSNOISE证明对掌握宽带CVT 激励尤其具有价值，此种激励需要用小频率步长对宽频率范围进行计算分析。其快速灵活的声学仿真功能支持P＋Z工程师们确定价廉物美的设计修改方案，以优化CVT齿轮箱系统的声学性能。总之，这些声学优化项目的成功依赖于经验丰富的CAD和试验工程师在开发过程初期，使用P＋Z工程公司选用的仿真方法，进行紧密的合作。”

P＋Z公司是一家德国工程创新公司，成功涉足于全球汽车、交通和航天等领域。在过去的37年中，P＋Z逐步扩展其在德国的分支网络，包括不来梅、科隆、慕尼黑和斯图加特。P ＋Z在并购意大利的Tesco TS公司和法国的Artware设计公司后，成立PCL集团，该集团是欧洲集团组织，主要提供基于工程能力和现代开发工具的开发咨询服务。自从2005年1月，PCL集团已经成为全球ARRK网络的一部分。(end)