QDSJ201 齿轮传动系统中rattle和clunk噪音的分析和优化

NO.201齿轮传动系统中齿轮传动系统中e噪音的分析和优化SMTRattle与Clunk发生机理与常用解决方案Rattle齿轮敲击噪音瀑布图Rattle宽频带的噪音，如下图所示Rattle齿轮敲击原理：对于变速箱工作档位齿轮副，由于承受较大负载，主动齿和被动齿不会发生分离，不会发生敲击；而其它不承载齿轮副，当输入轴由于扭矩波动导致转速存在波动时，不承载主动齿轮的转速随之波动；而不承载的被动齿轮存在惯性，其转速并没有同时变化，因此产生了转速差。而齿轮副之间存在侧隙，转速差导致两齿轮在侧隙间来回晃动敲击，并传递到壳体上，产生噪音。由上可知齿轮敲击的根源是扭矩波动，惯性和侧隙，相应的通过减小扭矩波动，增大惯量/拖曳阻力，减小侧隙可以减轻或消除齿轮敲击。齿轮Clunk噪音及原理不管是传统车辆还是新能源电动车，在Tipin/out工况和过台阶/沟坎时以及新能源车紧急制动高能量回收时，都可能产生齿轮的Clunk噪音，其表现和Rattle一样都是宽频噪音。Clunk原理和Rattle类似。车辆上述工况都会导致传动系统扭矩产生瞬态变化/反转，而齿轮副之间存在侧隙，扭矩的瞬态变化/反针对Clunk噪音，同样通过减小扭矩波动/反转，增大惯量/阻力，减小侧隙可以减轻或消除Clunk噪音。Rattle与Clunk的异同产生噪声的机理为相同的两个条件：①传递扭矩的反转过零点；②传动系统存在间隙。产生噪声的状态不同，扭矩反转的工况不同Rattle：①是扭矩围绕着零点的反复波动，表现为相对稳态的工况；Clunk可在传动系统的多数零件中产生。MASTA是一套完整的动力传动系统设计仿真平台，针对动力传动系统，进行从方案设计到制造完整过程的设计、分析和优化。分析和优化模拟制造系统快速设计和建模界面友好，操作简单，使用方便，可对齿轮传动系统典型的多轴系统进行快速参数化建模可在短时间内建立不同结构布局方案模型，进行快速对比评估，确定最优布局方案，完成方案设计具有系统设计优化功能，帮助进行初始齿轮方案设计优化处理为全有限元模型可导入三维CAD模型，辅助快速建模，并对壳体等进行网格划分，处理为全有限元模型系统变形分析/高级系统变形分析系统变形分析计算系统变形高级系统变形分析轮啮合刚度，可考虑齿轮制造误差精确计算随时间变化的系统变形和齿轮错位及齿轮接触精确计算系统TE和齿轮啮合TE零件强度校核圆柱齿轮/行星轮：基于,AGMA,DIN&VDI等标准校核接触、弯曲、胶合和微点蚀强度锥齿轮/准双曲面齿轮：基于ISO、Gleason,AGMA，KN等标准校核接触、弯曲、胶合强度ISO校核静强度和疲劳寿命；基于DIN732进行发热极限转速校核；获取并显示SKF计算结果轴：应力和疲劳强度校核应用DIN、AGMASMT连接件，包括花键、过盈配合和螺栓的校核应用ISO、SAE、DIN等多项国际标准/行星轮高级计算齿轮传递误差和齿根应力，并进行准确修形优化可以和刀具模拟优化功能关联，可针对实际加工齿轮齿根应力精确计算轴承及受力位移考虑柔性轴承滚圈对载荷分布和应力的影响各滚子歪斜和油膜厚度等基于动力学模型，考虑系统内各零件和系统的动态特性，进行耦合模态分析和齿轮啸叫分析，分析特定工况下系统针对激励的动态响应对电机激励的系统动态响应进行分析量半径上的声压和声强传统的NVH分析有一些基本的假设，其分析模型是频域的模态模型，然而该模型无法完整的捕捉行星架和带孔轮辐通过的动态特性方案利用了线性模态模型的速度和定制的时间步长方法来得到时域响应及与其相对应的频谱阶次内容，可以捕捉此类系统的频率响应中出现的边频特征系统优化进行方案设计优化的，比较不同布局方案，找到最佳齿轮设计优化系统变形根据系统变形结果，优化系统总体刚度NVH优化优化系统和齿轮，减小激励优化传递路径，减小动态啮合力减小壳体响应参数工具研究包括线性扫描、蒙特卡洛和DOE分析进行优化设计和制造公差敏感性分析对各零件进行优化，保证各零件之间寿命平衡圆柱齿轮宏观参数优化和空间研究提高齿轮强度，优化重合度，降低TE齿轮微观修形优化和空间研究齿向、齿形和对角修形优化接触斑点，提高齿轮强度，降低TE锥齿轮/准双曲面齿轮宏观参数优化提高齿轮强度锥齿轮//机床调整参数优化通过齿面修形优化，提高锥齿轮强度，降低TE通过和CAE，GEMS和KIMOS接口实现齿面优化/插/剃/磨工艺的齿轮、刀具和工艺模拟优化手段可在设计阶段对圆柱齿轮的粗精加工刀具进行模拟，保证设计齿轮的可制造性，降低制造成本，通过优化刀具，提高齿轮强度影响，降低制造成本是SMT开发的基于多体动力学的齿轮传动专用的、基于种齿轮传动链的动态特性，包括内外原因导致的齿轮Rattle与Clunck问题。例如：动态载荷分析和校核动力换挡变速器换挡性能分析Rattle齿轮敲击和Clunk噪音分析风机传动链分析发动机动力学按时间步分析和完全非线性齿轮啮合模型进行齿轮脱离接触和敲击分析测试：冲击载荷，Rattle/Clunk相关振动与噪音多体柔性模型Vs实车数据采集 实时采集扭矩数据，可在多位置布点，如变速器输入轴，传动轴，半轴等；入和校验信息；确认扭矩与噪声的关联性；测试和分析的关联，深入理解问题的根源，提出最佳方案；NVH和TE数据测量和分析解决方案开放硬件接口多通道数据采集可与分析软件集成，快速处理数据简单易用，便于携带本项目中，SMT负责CAE模拟仿真、建议设计修改方案，客户负责设计与样件修改以及测试由于转速波动导致的齿轮随时间变化的接触状态，即齿轮敲击AddADamper一般存在较大负载时，齿轮不易发生敲击现象。因此，可以象在设置的LoadsandLoadsDrag拖曳选项中，给OutputLoad和IdlerLoad添加与转速成正比的阻力系数，如下图（图中此值仅用于展示）AddADamper重新运行分析，在模型树中选择输入轴齿轮，可看到齿轮始在一个齿面接触，消除了敲击现象ScissorGearWith5mRad另一种方式是通过改变原有结构实现消除齿轮敲击问题将原来结构中的惰轮结构，改为两个有扭转刚度连接关系的刀齿结构ScissorGearWith5mRad在的预紧ScissorGearWith5mRad以输入轴齿轮和中间惰轮啮合关系为例（齿轮3Input齿轮1IdlerGear，齿轮2IdlerScissorGear）由于齿轮1和齿轮2之间在施加5mRad被压紧，剪刀角度减小，因此齿轮1和齿轮2之间存在反方向互斥的扭矩，使得齿轮1与齿轮3左齿面接触压紧的同时，齿轮2会与齿轮3的右齿面接触压紧当齿轮1和齿轮3左齿面有脱离的趋势时，齿轮1和2之间的斥扭矩，使得齿轮2跟随齿轮3运动，始终保持接触状态，从而消除了齿轮敲击现象ScissorGearWith5mRad重新运行分析，在模型树中选择InputGear，可看到输入轴轮的两个齿面始终分别与剪刀齿两个齿接触，消除了敲击现象解决驱动桥Clunk噪音流程图传统车桥与电驱桥齿轮Clunk在DRIVA中的仿真与优化传统桥齿轮Clunk：在DRIVA中建模系统模型在DRIVA中建立驱动桥总成，以便模拟驱动桥在冲击载荷作用下如何发生齿轮Clunk冲击载荷冲击载荷在0.3s内达到2倍的输出最大扭矩3000Nm，施加到2根半轴两端传统桥齿轮Clunk：DRIVA的时域动态分析结果在冲击载荷作用下主减齿轮发生Clunk主减齿轮发生Clunk，对应主动轮啮合扭矩波动和齿轮撞击能量如下齿轮接触状态 齿轮啮合扭矩传统桥齿轮Clunk：Clunk优化Clunk优化措施增加阻尼增加半轴柔性

齿轮撞击能量 原半轴 减小半轴直径电驱桥Clunk：在DRIVA中建模模型：模拟一个电驱桥总成在以200Nm扭矩持续输出2s后，紧急制动，导致扭矩产生瞬态反转，发生齿轮Clunk电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟动态响应响应结果Contact接触状态由于本示例在结果仅作为展示右图展示了输入轴齿轮InputGear，在0s-10s时间内由于Clunk导致左齿面法向作用力的变化，由于本示例在设置中阻尼系数采用默认值，所以此响应结果仅作为展示电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟与优化通过控制扭矩变化斜率改善齿轮Clunk通过电控系统，将原来0.14s0.7s电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟与优化通过控制扭矩变化斜率改善齿轮Clunk对比可看到优化后齿轮Clunk有所改善电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟与优化：通过控制扭矩变化斜率改善齿轮Clunk，优化后齿轮撞击能量有所降低总结齿轮RattleClunk（外来或内部传动产生）、系统刚度、阻尼三因素“搭配关系”使得原本应该正常啮合