08_浙大_郭磊_基于AVL模拟软件包的变速箱振动噪声集成化仿真技术

基于A VL模拟软件包的变速箱振动噪声集成化仿真技术
郭磊，蓝军，余波
（浙江大学发动机振动噪声实验室，A VL AST，长安汽车研究院CAE所）摘要：分别采用Excite Designer、Tycon、Excite对某5挡手动变速箱进行了齿轮传动系动力学计算，在此基础上进行了变速箱壳体结构的振动噪声及强度仿真；讨论了Tycon齿轮传动分析中的咔嗒噪声（Gear Rattle）及呜呜噪声(Gear Whine)的特点，并阐述了Tycon联合Excite及外部边界元软件进行外声场仿真与强度仿真技术。

关键词：多体动力学；变速箱；齿轮传动系；振动噪声
0. 前言
计算机仿真技术已被证明在汽车产品研发及优化改进中发挥了巨大的作用，在开发成本和分析精度上都体现出明显的优势。

随着汽车行业市场竞争的不断加强，各汽车公司的产品不仅需要占居市场份额，同时还应满足国家各项法规的要求以及消费者对汽车产品的相关品质要求。

汽车及发动机结构振动噪声及舒适性（NVH特性）已成为评价动力机械产品品质的重要指标，A VL公司先进模拟产品线中为动力产品NVH特性仿真提供了一整套解决方案。

1. 动力总成技术规格及参数
（1）发动机
型式：水冷直列四冲程汽油机；
缸数：4缸；
缸径：86 mm ；
活塞行程：86 mm ；
标定工况：112 KW/6000 Rpm ；
最大扭矩点：192 Nm/4500 Rpm ；（2）变速箱型式：横置式手动5档；一档速比：15 ；
二档速比：8.5 ；
三档速比：5.6 ；
四档速比：4 ；
五档速比：3.3 ；
2. 变速箱振动噪声及强度分析计算流程
图1 变速箱结构振动噪声及强度仿真计算流程图
变速箱壳体作为主要的承载部件，内部齿轮系传动产生的轴承动态激励及壳体结构本身模态特性都对其NVH 特性产生影响；各个档位下齿轮传动系传递的扭矩大小将反映在各处轴承载荷上，可利用此轴承载荷进行强度指标的计算。

图1中表示了采用A VL 结构仿真软件进行变速箱壳体振动响应及强度计算的流程图；
3. Excite Designer 计算曲轴系统扭转自由度响应
首先，根据A VL Excite Designer 建立活塞曲柄连杆系统运动学仿真模型，在活塞顶部施加不同转速下燃气爆发压力，活塞及连杆大小头质量须正确填入，曲轴及离合器系统分割为多惯量及各惯量间扭转刚度连接。

Excite Designer 内部采用霍尔兹法进行曲轴系统扭转振动响应计算，可得到各个转速下曲轴飞轮离合器端的动态转速及其转速波动，从而为变速箱传
动仿真提供激励输入条件。

图2 Excite Designer 计算曲轴系统运动学模型
图3 转速范围内离合器从动盘转速波动及其频谱
由图3可见，曲轴扭转振动响应计算得到转速范围(1500-6000rpm)内离合器从动盘动态转速波动，此发动机为四缸四冲程汽油机，在高转速6000rpm 及低转速1500rpm 附近波动量较大，转速波动在各转速下主要发生在2谐次，4、6谐次次之，该曲轴系经过有限元计算发现其一阶扭转固频在300Hz 以上，2谐次转速波动对曲轴扭转振动影响甚微，同时第4、
第6谐次转速波动幅值明显较低。

采用Excite Designer 计算成本较低，同时计算精度满足工程要求。

4. A VL Tycon 变速箱齿轮传动系动力学仿真
Tycon 是A VL 先进模拟软件中专门处理发动机正时传动系及动力传动系的专用模块，本文利用其进行变速箱内部齿轮传动系的动力学仿真。

前述ExciteDesigner 计算得到曲轴离合器端的动态转速波动，为Tycon 计算齿轮传动系提供了动态转速激励；
图4 A VL Tycon 变速箱动力学仿真模型
图5 本啮合齿对时变啮合刚度
变速箱齿轮系振动噪声分为 Rattle ）和齿轮呜呜噪声（Gear Whin 两类：齿轮咔嗒噪声（Gear e ）；在某档位下变速箱内齿轮传动系实际工作时，上档齿轮啮合对之间传递扭矩，齿轮啮合呈现节圆冲击状态，承载齿轮啮合对时变啮合刚度及受载齿发生弹性变形将形成一系列窄带冲击，同时齿轮盘偏心还会造成节圆冲击的边频调制现象。

由于时变啮合刚度对啮合冲击造成显著影响，文中采用外部软件计算的时变啮合刚度送入Tycon 中进行啮合齿对的计算，以输入轴2档与副轴二档齿轮为例，时变啮合刚度如图5所示，由于使用了斜齿，啮合刚度的变化对直齿要小。

图6 二档下各承载传动齿轮转速波动
在2档发动机全负荷条件下进行各个转速下动力学仿真，如图6所示发动机5500rpm 齿轮在时变啮图7 输入轴2齿轮&副轴2齿轮2档下动态啮合轴向力 Order23
Order46
Order69 Order92
时各承载传动齿轮转速波动，各传动齿轮转速未见明显的拍频共振情况；输入轴2档齿轮转速波动在时域曲线趋势上与离合器输入端动态激励基本一致，但在发动机4、6阶次上变大，主要由于受重载扭矩及时变啮合刚度的影响；副轴2档、输入轴4档齿轮转速波动明显稍小于输入轴2档齿轮，由于输入轴4档齿轮只是作为2档下副轴到中间轴传动的惰轮，因此中间轴4档齿轮转速波动趋势与副轴2档齿轮相似，由于各传动齿轮背隙的影响导致中间轴4档齿轮在4阶上幅值较大。

主减速齿轮自身惯量较大同时驱动前轮，在大惯量的拖动下其转速波动明显较小。

Tycon 计算承载合刚度下动态啮合力，此变速箱传动齿轮均为斜齿轮传动，在增加重叠度时也产生啮合轴向力，增加了轴承轴向负荷及摩擦损失。

图7为发动机5500rpm 下输入轴2齿轮与副轴2齿轮承载啮合对（齿数比：23:45）的轴向啮合力的频谱图；可见第23及其谐频92谐次在4000rpm 有较强啮合冲击，5000rpm 以上，第23谐次及其各阶谐频的啮合力都增加，高频冲击增强。

转速范围内啮合力在时变啮合刚度下呈现明显的多阶峰特性，由图7中order 线可见各转速 (b) 相对距离
(c) 最大啮合的傅立叶展开
图8 发动机5500r 1齿轮啮合仿真结果
在发动机5500rpm 二档下，输入轴1齿轮与副轴1齿轮啮合力（齿数比：14:48）各向分量频下此啮合对在啮合基频及倍频处产生峰值，对应阶次的齿啮合力将传递到变速箱体的各轴承处，成为轴承动载的重要成分。

承载齿对工作时啮合载荷主要发生在驱动侧齿面（Drive Flank ），驱动侧载荷受到时变啮合刚度作用产生随发动机转速变化的阶次特性。

可见，承载啮合对产生的动态啮合力表现为齿轮呜呜声，成为变速箱结构阶次辐射噪声的重要因素。

变速箱在各档位下总有空跑齿轮啮合对，这些啮合对不承受外载作用，但是空跑齿轮在各自的转动惯量及转速波动作用下将产生啮合力；图8(a)中，可见未上档齿轮啮合力在驱动侧及背隙侧产生一系列脉冲激励；图8(b)中表示此啮合对齿驱动侧隙与背隙在啮合过程中的变化，未上档齿轮的啮合状态非常自由，驱动侧隙距离与背隙距离交替变化，从而说明未上档齿轮的啮合力在驱动侧及背隙侧不断换向。

(a) 最大啮合力
力pm 二档下，输入轴1齿轮&副轴谱如图8(c)所示；对于齿轮咔嗒噪声而言，各对空跑齿轮的径向支撑形式及径向游隙将对空跑齿轮啮合力造成显著影响，主要表现为游隙的存在使得齿轮盘存在偏心旋转运动，在各阶啮合齿频两侧将产生对应齿轮轴轴频的边频调制现象，这些频率成分将通过轴承传递到变速箱壳体结构上。

因此，进行变速箱结构振动响应及噪声分析时，未上档齿对动态脉冲啮合力以及齿轮盘偏心导致的各阶齿频及其边频将对结构振动产生重要影响，同时也是齿轮咔嗒噪声的主要来源。

5. A VL EXCITE振动计算以及变速壳体箱结构表面法向噪声恢复
Excite是A VL先进模拟软件包中结构动力学分析的核心软件平台，它采用混合多体动力学仿真技术，即：(1)各结构部件本身采用线弹性体；(2)线弹性体部件之间采用非线性连接边界条件；(3)动力学仿真在时间域内进行，同时可将弹性体多体动力学结果映射到各部件有限元模型的单元及节点上；
图9 Excite模型及变速箱轴承加载示意图
Tycon计算得到变速箱各
处轴承的动态载荷，将这些结果
作为外载送入Excite载荷集中，
同时搭建好动力总成的Excite
混合动力学仿真模型，如图9
所示。

图10为2档下变速箱轴
轴承动态载荷图。

Excite动力学仿真后直接
进行变速箱结构表面节点的振
动速度响应数据恢复，得到对应
发动机各阶次表面振动速度值，
可在Impress Chart中进行后处
理，如图11所示，发动机
6000rpm二档下，变速箱在
1200Hz、2600Hz及3150Hz处
表面振动速度级云图，对比三个
频率点可以发现变速箱结构在
顶侧立板和前侧立板处振动速
度明显较大，结构约束模态计算
发现2500Hz至4000Hz此两部
位均有大量平板局部振动模态，
与试验测量对应点处表面振动
结果相吻合。

图10 变速箱轴承动载荷（Excite外载）
图11 变速箱壳体表面振动速度级云图
6. 外部边界元软件计算变速壳体箱结构辐射声场
为了更进一步了解变速箱结构的辐射噪声特性，可利用边界元法进行外声场的声学特性仿真，Excite的混合动力学仿真可将多体动力学结果、有限元子结构响应及有限元模型响应一一映射，如果在动力学仿真环境下结构阻尼特性得到较好的模拟，那么从多体动力学结果可以直接映射到有限元结构所有单元及节点上，从而为边界元声学计算提供输入边界条件。

变速箱声学计算结果不再赘述，如图12示例。

此变速箱壳体结构为铝合金材料，为了进行新型轻质材料的替换需要进行结构强度方面计算及对比分析工作。

变速箱在不同档位、不同转速及不同负载条件下变速箱壳体结构轴承处载荷均不相同，可使用Tycon模拟不同档位下的发动机外特性，不同转速下各处轴承力峰值自动被Tycon捕捉，可据此选定静强度计算的转速工况。

图13显示了发动机1档4500rpm 全负荷条件下，变速箱壳体结构强度计算结果，并对比箱体采用轻质合金材料后的强度，如下表1。

图12 变速箱外声场辐射噪声计算
Max Principal Stress Von Mises Stress
图13 变速箱壳体静强度计算
表1 铝合金壳体与轻质合金壳体强度对比
1档4500Rpm全负荷V on Mises Stress(MPa) Max Principal Stress(MPa)
铝合金变速箱壳体103 100 轻质合金变速箱壳体92 90
7. 结语
A VL先进模拟软件包提供了非常专业的汽车及发动机产品结构刚度、强度、振动及噪
声方面的解决方案，并为声学预测及疲劳强度校核提供了软件接口，同时在新版本中已经开
放了与MATLAB的接口，使得大型商业软件间的数据交换及联合仿真成为可能。

参考文献
[1] A VL Excite Designer 用户手册，2007.2
[2] A VL Excite 用户手册，2007.2
[3] A VL Tycon 用户手册，2006.8
[4] MSC/Nastran User Manual, 2005r2。