降低噪音的齿轮轮辐调整
动机
齿轮轮辐或法兰的设计传统上目的是减轻重量，最近有创新的公司开始使用齿轮轮辐设计来调整系统动力学以降低齿轮啸叫
该方式已成功在纯电动汽车和混合动力汽车的开发中得到应用，而对于纯电动汽车和混合动力汽车来说：噪音至关重要，并且转速和齿轮啮合频率较高，同时还可以与齿轮轮辐动力学产生强烈的相互作用
历史与现状
SAE 1999-01-1766: “Gear Noise Reduction through Transmission Error Control and Gear Blank Dynamic Tuning”. MTS (moved to American Axle) & Ford
•SMT从Steyer方法的基础开始
•优化大小轮的轮辐和模态分布
SAE 2012-01-0623: “Development of New Hybrid Transaxlefor Sub-Compact-Class Vehicles”. Toyota Motor Company
•关于新型混合动力汽车许多方面的文章，小部分是关于噪音方面的:
•为了减小变速器尺寸而减小齿轮尺寸，需要增加齿轮刚度， 齿轮啮合力增加
•使用轮辐刚度优化来减少噪音
SAE 2018-01-0397: “Time Domain NV Simulation with A/T Assy Model by Modal Synthesis Method”. Aisin AW, Japan (part of Toyota group)
•AT，带差速器
•“自2005年以来，我们一直在齿轮法兰上加长孔以降低齿轮 噪音”
•宣称需要时域方法以捕捉由于孔通过引起的共振频率波动的影响
用于NVH优化的齿轮轮辐设计
齿轮轮辐可以作为降低齿轮啸叫的潜在途径
本文中举例说明的关键机制是：
1.齿轮轮辐影响动力传动系统动力学，从而影响齿轮啮合TE（传递误差）的接受度
2.这种相互作用产生了齿轮动态啮合力，调整齿轮轮辐可以降低动态啮合力
3.第二个潜在的竞争效应是，齿轮轮辐在齿轮动态啮合力到壳体振动的传递路径上也是极为关键的
展示了优化的结果和方法
经典的频域齿轮啸叫分析
齿轮轮辐刚度影响：
错位量 ->TE（传递误差）
动力传动系统动力学
通过对动态柔度的影响间接影响动态啮合力
决定传递路径如何将力传递给响应体（如壳体）
动态柔度
对于齿轮啸叫，使用频域方法：
1.静态齿轮传递误差（TE）作为位移激励
2.通过计算齿轮啮合任一侧的柔度以数值方法得出总柔度
3.然后推导动态啮合力并将其应用于有限元模型，给出整个系统的动态响应
频率方法比时域方法快很多
理解柔度就可以进行动力学调整
电机产生的啸叫更简单: 直接施加电机动态载荷
当柔度大小相等，相位相差180度时出现齿轮啮合力峰值=>总柔度低，啮合力高以适应静态TE
如果我们想优化动力学，需要了解柔度的构成
齿轮轮辐的模态
这种高精度多自由度模型有很多模态
只有少数和小轮和大轮侧相关的模态控制柔度
此设计中齿轮轮辐模态受大轮侧柔度影响显著
可以调整这些模态以尝试避免在工作范围内产生较大的动态啮合力
齿轮轮辐的模态
有关小齿轮和大轮侧的关键动力学模态动画，即非耦合模态
齿轮轮辐对系统动力学的影响
较厚（>15mm）的刚度大的轮辐有较高的频率，在工作范围外
但是，厚轮辐的柔度较低，因此在工作范围内会产生较大的动态啮合力
仔细选择轮辐可以调整动力传动系统的动态特性并降低齿轮动态啮合力
注意：需要检查轮辐对齿轮错位量、应力、耐久性的影响
齿轮轮辐对系统动力学的影响
频率响应
通过修改轮辐动力学特性，也修改了传递特性，因此在优化齿轮轮辐几何时必须考虑系统响应
系统响应等于传递特性（FRF频响函数）乘以动态啮合力
本例中，啮合力的峰值与壳体的声功率峰值对应，因此降低啮合力对于降低响应是最重要的，而不是传递特性
评估系统响应的指标:
1.轴承动态响应
2.壳体加速度，通常与测试对比
3.悬置点的动态响应，可说明结构振动的传播
4.壳体响应（表面均方根速度或基于ISO7849或声学模拟得到的声功率）
优化策略
Ref: “Electric Vehicle Whine Noise – Gear Blank Tuning as an Optimisation Option”; Owen Harris, Paul Langlois, Andy Gale
在MASTA中，可以结合轴的网格划分，运行 LTCA、齿轮啸叫分析及通过参数化研究工具估算声功率来完全自动化调整齿轮轮辐设计。
不需要额外的定制工作—展示了MASTA工具的强大功能。
MASTA 10具有完整的API（应用程序编程接 口），以使脚本能够驱动MASTA，并且客户端可以生成对核心MASTA功能的更多自动化处理。
对于优化更复杂的几何形状，如轮辐在多个位 置有孔；可使用外部优化软件来连接CAD和网 格划分软件到RUNNA，并使用相关的优化算法来改善设计。
研究表明：如何使用MASTA参数化研究工具通 过改变对称轮辐辐板和轮缘厚度进行最终优化（紫色），并与原始设计（红色）对比，声功率降低>10dBA这符合SMT及其客户的实际项目经验。
带孔齿轮轮辐的优化
前面优化的对称轮辐添加了3个细长孔，目的是进一步优化壳体响应
使用链接到RUNNA的外部优化软件，可以更改上述孔的参数和辐板及轮缘厚度
该优化在齿轮啮合位于实体上方及孔上方两个位置进行了静力学分析，发现了一系列设计在这两个位置下可降低最大声功率
一个可能的优化设计和基准设计的辐板和轮缘厚度相同，但孔的宽度和扫掠半径较小
黄色点是较大错位的设计
红色点是Pareto Front 设计（优化设计）
通过更改设计参数并了解其如何影响声功率结果，优化收敛可以得到最佳方案
优化之后，可以将两个目标相互映射，并可以看到Pareto Front 设计，必须分析两个目标之间的权衡关系才能选择优化的设计
带孔轮辐的优化
优化后进行的敏感性分析表明，轮辐宽度和轮缘厚度对啮合力、声功率、错位量、TE（传递误差）有显著影响
孔参数的影响较小，但仍可显著改善响应
当前的研究
捕捉孔通过调制瞬态效应
当前的研究正在进行用于捕捉孔通过调制的各种方法。Aisin SAE论文声称，需要时域方案来完全捕捉由于齿轮接触处的质量和刚度波动而引起的共振频率波动的影响；意味着振动水平永远不会增加到完全共振，这与无孔齿轮不同
时域方法
商业通用的多体动力学（MBD）软件正用于研究在一个轮辐中带有孔的简单齿轮副上的调制效应。SMT的DRIVA也正在开发中，以捕捉这些影响，导入的有限元轮辐上每个轮齿要包含一组节点
频域方法
现在可以将MASTA 10高级系统变形计算得到的谐波激励用于齿轮完整旋转过程，意味着可以得到带孔轮辐的变化的TE。但是，这不包括传递路径上的调制带来的任何影响
混合方法
提出了一个新的动态时间步方法，该方法在多个慢时间步长，如孔通过角度上，使用线性模态模型的速度；以及一个瞬态的线性时间步方法，该方法在快时间步长，如齿啮合上用模态模型
捕捉了传递路径的变化和关键的共振破坏机制
该方法比传统的时间步进方法快得多，同时保留了大多数仿真精度，意味着可以用作对比少数的轮辐设计或验证优化结果的工具
结论
本报告展示了MASTA如何用于通过调整齿轮轮辐来研究系统动力学并减小齿轮啸叫
MASTA已经用于优化典型电驱齿轮箱对称轮辐的几何形状以减小齿轮啸叫
也扩展到使用商用优化软件来优化带孔齿轮轮辐
该领域的当前研究集中在通过时域和频域两种方法捕捉孔通过调制的瞬态效应，以提供更高仿真精度和快速设计优化的选择
声明：来源于驱动视界
