全面的测试和仿真方法

为了解决NVH问题，需要将经验与正确的工具相结合，以便找到最低成本和最短时间的解决方案。高效的NVH解决办法需要相应的流程：在该流程中，精确的测量和详细的CAE仿真可以共同进行，测试和分析团队之间可以使用集成软件方案进行数据处理和无错传输。SMT提供的齿轮啸叫NVH集成软件解决方案，能够在集成环境下，完成无缝数据传输、进行测量数据采集和分析以及相应的系统层次的仿真。本文的目的是讨论这些集成软件在解决齿轮啸叫问题过程中扮演的角色，而描述完整的问题解决方法超出了本文的范围。

建议第一步首先检查制造和装配质量。如果质量差，例如超出了要求的公差，那么TE可能会高，这些问题需要在设计步骤之前得到解决。 软件在这个阶段扮演一个重要的角色： 用SMT的MASTA软件进行圆柱齿轮制造仿真，可以帮助提升制造质量并改善其产生的TE;此外，MASTA软件还可以进行参数研究来确定和调整制造公差，从而减小组件之间传递误差的变化。

集成软件解决方案可以使这些任务在一个单一的软件环境下进行。在测试阶段，可以用专门的、便携式的、进行噪音和振动及传递误差测量的硬件来采集数据，然后使用SMT的TE和NVH数据采集及分析软件--MEASA进行后处理和分析。进一步地，数据分析工具可以连接到 SMT的变速器设计分析软件MASTA，在相应系统分析模型中潜在的激励阶次可以被传输到MASTA中，以便在处理测量数据的同时能够更容易地确定来自变速器零件的贡献。

在仿真环境下，MASTA可以对齿轮啸叫问题进行多方面分析，在该软件(图1)中可以方便地建立一个单一系统模型。通过使用自动构建的不同保真层次的分析模型，一组参数化输入可以用来对一系列的失效模式和感兴趣的现象进行分析。针对齿轮啸叫相关的分析包括：在一系列工况下的完整系统的静态分析，用于计算系统变形以及对零部件耐久性的影响;加载齿轮啮合接触条件下的准静态分析，用于计算接触应力、齿根应力、传递误差和往复力;整个系统的模态分析，用于计算系统固有频率、振型和模态能量;整个系统的齿轮啸叫分析，用于计算系统由于传递误差激励所产生的动态响应。

测试数据采集和数据分析软件

典型的齿轮啸叫测量包括：通过麦克风进行噪音测量，通过加速传感器进行壳体振动测量，通过角编码器进行传递误差测量。

精确的数据采集需要经过校准的麦克风、加速传感器和高保真度的数据记录。此外，还需要一个精确的转速信号用于分析部件的阶次。测量数据可以使用MEASA 数据采集和分析软件进行采集和分析。数据分析工具允许用户以多种方式处理数据。通过连接到变速器系统模型，潜在的激励阶次和零件以及相对应的谐波可导入到数据分析工具中，这样可以方便的识别出指定阶次和总噪音/振动的主要成因。关键图包括瀑布图和阶次切片，提供对于总噪音具有特殊来源和音调的噪音的定量结果。

尽管没有噪音和振动测量那么常见，齿轮啸叫的来源—加载下的传递误差，可以使用角度编码器进行测量。对于测试台架上的变速器或传动系统，编码器可安装在输入和输出轴上以便测量整个变速器，也可跨坐安装于子系统之上以便测量该子系统。与噪音和振动测试结果相同， MEASA软件能够采集和分析TE测试结果。傅里叶分析用于识别不同阶段的主要因素，而TE值能通过齿轮基圆半径将角度转换为线性值。通过与系统模型相连，能够在数据分析工具中导入齿轮啮合阶次和相应的谐波，以便快速识别。

通过使用这些测量和数据分析技术，能够对噪音问题的性质进行量化，并且可以识别变速器中潜在激励的贡献。但是如何进行设计变更，评估对噪音问题的影响，以及找到经济有效的解决方案?这就是先进的仿真软件在解决问题方法中扮演的角色。

完整的系统仿真

齿轮啸叫问题的相关分析可以在系统层次模型中进行。首先，通常在完整运转范围内进行一系列静态分析，以便计算系统变形，包括齿轮啮合的错位量，零件的耐久性等。获得耐久性基准结果，并和设计变更后的结果进行对比，用于确定在耐久性方面没有做出让步。基于FE的系统变形模型包括：轴，视为 Timoshenko 梁单元;轴承由全部几何信息、间隙、预紧等的专门的非线性接触方程计算的模型代表;齿轮啮合由专门的非线性接触模型代表;壳体和复杂的异形轴以从全有限元模型中进行动态缩聚获得的刚度和质量矩阵的形式包含到模型中。轴承、齿轮、轴和其它的耦合零件的耐久性是通过该零件变形和载荷的分析结果是否能通过相关国际标准来确定的。

齿轮啸叫问题的解决方案并非总是优化齿轮微观修形，但因为它相对容易一些，所以通常将其作为首先研究的区域。在开发过程的后期，由于对制造过程影响最小，需要的工具最少，这是最容易实施的方法。TE的计算可以使用加载轮齿接触分析(LTCA)，扭矩、错位量、齿轮宏观参数和微观修形作为输入条件。精确的 LTCA 对确保TE的计算精确性是十分重要的。有限元和赫兹接触的程序被用来精确捕捉每个接触位置的刚度，同时提供适合评估微观修形参数变化和公差鲁棒性的快速计算。这样的计算在精度上堪比全有限元接触分析，同时速度上快了许多个数量级。软件中可以自动建立齿轮宏观参数的有限元模型，该模型用于在考虑轮齿间啮合的基础上，获取齿轮轮齿的弯曲和旋转刚度。通过结合弯曲刚度与赫兹线接触刚度，可计算任意潜在接触点的总刚度。潜在的接触线被分成条状，根据力平衡和匹配性条件建立方程并求解，以便计算啮合时的载荷分布和输入扭矩下的传递误差。LTCA可以用于优化齿轮微观修形和宏观参数以使传递误差最小。必须考虑到在整个载荷范围内，推荐设计的鲁棒性将随载荷变化而变化，而错位量也将随齿轮微观修形在可制造公差范围内的变化而变化。

轮齿接触分析结果可以很好的验证分析模型是否正确建立。接触斑点试验是一个简单和常用的试验，接触斑点试验结果可以直接和分析结果进行对比。如果关联性好，这样对分析模型就有把握，说明计算的错位量，微观修形输入，在测试的载荷下计算的载荷分布都是正确的。如果进行TE测试，测量的和计算的TE可以直接进行对比。

系统动力学的分析可以通过模态和频率响应分析进行。对于系统给定载荷输入的模态分析，可自动建立该载荷下的非线性静态分析模型的线性化模型。因此可以在计算得出不同工况下的固有频率和相应的振型。坎贝尔图用于识别潜在的系统激励，例如，齿轮啮合频率或其不同谐波与系统固有频率相交。更进一步地，通过振型的能量分布可以直观的识别出可能引起共振的主要零件。目标是尽量减少工作频率范围内的固有频率的数量，并将出现在范围内的固有频率彼此分离。

由Steyer等人引入的计算传递误差系统响应的方法可以用于计算在虚拟加速传感器位置的壳体加速度。由于激励是周期性的，加载情况下的刚度可以认为是线性的，在频域下计算可以运行得非常快速。静态传递误差是系统假定的激励输入，第一步是计算齿轮啮合时的动态力，这个动态力导致啮合处的相对位移，而该相对位移由传递误差给定。这个动态啮合力，由齿轮啮合时每侧的动态柔度计算得出。动态啮合力作为激励施加到系统模型上，用于计算系统中任意一点对此激励的响应。瀑布图可以绘制模型上任意一点的动态响应，并可以与噪音和振动测试所获得的加速传感器和/或麦克风数据进行对比。

一但虚拟模型与测试数据相关联，可以通过瀑布图和固有频率识别出对问题频率响应的模态。然后可以通过振型和能量贡献识别出这些模态中引发齿轮啸叫的零件。获得结果后，可以对这些零件的设计进行调整来改进分析模态的动态响应。一但在虚拟环境下获得了需要的结果，可以在样机上对设计做出相应的变更，并测试用来确认是否达到改进期望。

使用集成软件方法解决齿轮啸叫的优点：在虚拟测试环境下使用目标方案减少了产品开发时间;通过减少零件测试降低产品开发成本;在产品发布之前可以对产品变化进行研究并使其最小化。