如何在COMSOL Multiphysics®中建模齿轮箱振动和噪声188金宝搏优惠

齿轮被广泛应用于钟表、工业机械、音乐盒、自行车和汽车等领域。齿轮箱是振动和噪声的主要来源，无论它是如何使用的。降低齿轮箱噪声辐射的最有效方法是进行振动声学分析，以改进设计。让我们看看如何使用COMSOL Multiphysics®软件来帮助构建更安静的传输系统。188金宝搏优惠

齿轮箱的噪声、振动和不平顺性（NVH）分析

齿轮箱总成通常由齿轮、轴、轴承和壳体组成。齿轮箱在运行时会在周围环境中发出噪音，主要原因有两个：

1. 在将动力从一个轴传输到另一个轴的同时，在轴承和壳体上传输不希望的横向和轴向力
2. 齿轮箱不同部分的灵活性，如齿轮啮合、轴承和壳体

在齿轮箱的所有部件中，振动或噪声的主要来源是齿轮啮合。结构振动的典型路径，被视为周围区域的噪声辐射，可以如下所示：

齿轮发出呜呜声和嘎嘎声

齿轮啮合产生的噪声可分为两类：呜呜噪声和齿轮嘎嘎作响.

齿轮呜呜声是齿轮箱中最常见的噪声类型之一，尤其是在负载条件下运行时。齿轮呜呜声是由齿轮中产生的振动引起的，因为在啮合过程中存在传动误差，并且啮合刚度变化。这种类型的噪声发生在啮合频率，当在1米的距离处测量时，其范围通常为50到90 dB SPL。

齿轮箱在空载条件下运行时，通常会观察到齿轮嘎嘎声。典型的例子是柴油发动机车辆，如公共汽车和卡车怠速行驶。齿轮嘎嘎声是由齿轮箱的空载齿轮副引起的冲击引起的噪音。齿隙是润滑所需的齿轮参数之一，直接影响齿轮的嘎嘎声。如果可能的话，只需调整齿隙的大小就可以减少齿轮抖动。

传输错误

我们知道传动误差是齿轮呜呜声的主要原因，但到底是什么原因呢？当两个刚性齿轮具有完美的渐开线轮廓时，输出齿轮的旋转是输入旋转和齿轮比的函数。输入轴的持续旋转导致输出轴的持续旋转。修改齿轮齿廓可能有各种意外和预期的原因，例如齿轮跳动、错位、齿尖和齿根卸压。这些几何误差或修改可能会在输出齿轮的旋转中引入误差，称为传输错误（TE）。在动载荷下，轮齿偏转也会增加传动误差。这种组合误差称为动态传输误差（DTE）。

在COMSOL Multiphysics®中建模齿轮箱振动和噪声188金宝搏优惠

将齿轮的呜呜声或嘎嘎声降低到可接受的水平是一个巨大的挑战，尤其是对于由多个齿轮同时啮合组成的现代复杂齿轮箱。通过精确地模拟这些复杂的行为，我们可以设计出更安静的变速箱。COMSOL Multiphysics使设计师能够在允许的设计约束范围内准确识别问题并提出现实的解决方案。有了这样一个工具，我们可以优化现有的设计，以减少噪音问题，并在生产阶段之前的更早阶段深入了解新设计。188金宝搏优惠

A.齿轮箱模型在COMSOL188金宝搏优惠 Desktop®中。

让我们考虑一个手动变速器车辆的五速同步变速箱，以便研究齿轮啸叫对周围区域的振动和辐射。变速箱位于汽车中，用于将动力从发动机传递到车轮。

手动变速器车辆的五速同步齿轮箱的几何形状。

为了数值模拟齿轮箱振动和噪声的整个现象，我们进行了两项分析：

1. 多体分析
2. 声学分析

在多体分析中，我们计算在指定发动机转速和输出扭矩下在时域内执行的齿轮和壳体振动的动力学。对于声学分析，我们使用壳体的正常加速度作为噪声源，计算变速箱外部的一系列频率的声压级。

齿轮箱振动分析

首先，我们研究同步齿轮箱中的齿轮排列。这里，斜齿轮用于将动力从驱动轴的输入端传递到中间轴，并进一步从中间轴传递到驱动轴的输出端。

五速同步啮合齿轮箱中的齿轮布置，不包括连接齿轮和主轴的同步环。

模型中使用的齿轮具有以下特性：

所有物	价值
压力角	25度
螺旋角	30度
齿轮啮合刚度	1e8[N/m]
接触比	1.25

中间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。一次只有一个齿轮固定在轴上。在现实生活中，这是通过同步环实现的。在该模型中，具有激活条件的铰链接头用于有条件地将齿轮与驱动轴啮合或分离。

从轴上看，它们被认为是刚性的，并通过铰链连接在壳体上，而壳体被认为是柔性的，进一步安装在地面上，并在其一端连接到发动机。根据发动机转速、负载扭矩和啮合齿轮，模拟考虑的驾驶条件如下：

输入	价值
发动机转速	5000[转/分]
负载转矩	1000[N-m]
啮合齿轮	5.

通过这些设置，可以运行多体分析并计算壳体振动，如本动画所示：

壳体中的von Mises应力分布以及不同齿轮的转速。

为了更好地了解法向加速度随时间的变化，我们可以选择齿轮箱壳体上的任何点。该点法向加速度的时间历程如下所示。让我们使用FFT解算器将此结果转换为频域。通过这种方式，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，壳体的正常加速度包含多个主频。壳体振动占主导地位的频带为1000–3000 Hz。

变速箱壳体上某个点的法向加速度的时间历程和频谱。

对齿轮箱噪音进行分析

一旦我们模拟了变速箱中的振动，让我们看看如何在COMSOL Multiphysics中模拟噪声辐射。首先，我们在变速箱外创建一个空气域，以模拟周围的噪声辐射。188金宝搏优惠

为了耦合多体动力学和声学，我们假设单向耦合，因为外部流体是空气。这意味着齿轮箱壳体的振动会影响周围的流体，而声波对结构的反馈则被忽略。这个问题是单向耦合的，这是一个很好的假设。

对一系列频率进行声学分析。由于多体分析是在时域中求解的，因此使用FFT解算器将壳体加速度从时域转换为频域。

包围齿轮箱用于声学分析的空气域。图中显示了用于测量噪声级的两个麦克风。

作为噪声源，齿轮箱壳体的法向加速度应用于声学域的内部边界。为了避免来自周围区域外部边界的任何反射，我们应用了球面波辐射条件。通过这些设置，我们可以解决声学分析问题，并查看近场以及变速箱壳体表面在不同频率下的声压级。为了更好地理解噪声辐射的方向性，我们可以在不同频率的不同平面上绘制远场图。

近场（左）和齿轮箱表面（右）的声压级。

距离为1 m时的远场声压级xy-飞机（左）和xz-飞机（右）。

在观察外部声场中的声压级后，有趣的是找出特定位置声压随频率的变化。为此，在特定位置放置两个麦克风。

麦克风	安置	位置
1.	齿轮箱的侧面	（0，-0.5米，0）
2.	齿轮箱顶部	（0,0,0.75米）

这些麦克风位置在中定义参数节点，并且可以更改，而无需每次更新解决方案。

两个传声器位置处压力大小的频谱。

麦克风位置的压力响应图很好地显示了噪声中的频率内容。然而，如果我们真的能像在物理实验中一样，听到麦克风上记录的噪音，那不是很好吗？这可以通过使用压力的幅值和相位信息作为频率函数的方法编写Java®代码来实现。

让我们听一下与两个麦克风接收到的噪音相对应的声音文件…

我们已经研究了各种频率的声学结果。在时域中看到它们也很好。让我们使用FFT解算器将结果从频域转换到时域，以便我们可以可视化变速箱周围区域的瞬态波传播。

显示变速箱周围区域瞬态声压波传播的动画。

基于仿真的静音变速箱设计

上述方法描述了一种将多体分析与声学模拟相结合的技术，以便准确计算齿轮箱的噪声辐射。该技术可在设计过程的早期使用，以改进齿轮箱，使齿轮箱工作速度范围内的噪声辐射最小。此外，这些方法——COMSOL Multiphysics®软件5.3版的新功能——使我们能够真正听到齿轮箱产生的噪音——使模拟更接近物理实验。188金宝搏优惠

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