齒輪產(chǎn)品仿真的內(nèi)容很多，包含強(qiáng)度分析、疲勞分析、傳動分析、NVH分析等，其中最重要的是齒輪傳動分析，因為齒輪傳動性能直接表示齒輪在某工況下的作業(yè)性能，同時也是強(qiáng)度分析、疲勞耐久性分析、NVH分析的基礎(chǔ)。本文所說的齒輪仿真特指齒輪傳動仿真。

1. 齒輪傳動分析的現(xiàn)狀

目前，對齒輪傳動分析主要有兩種方法，第一種方法是使用齒輪專用分析工具，第二種方法是使用多體動力學(xué)分析方法。

（1）齒輪專用分析工具

這些工具包含專業(yè)的齒輪知識和經(jīng)驗公式，能快速對齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計建模和仿真分析，得到應(yīng)力應(yīng)變、疲勞壽命、NVH等性能，并具有優(yōu)化設(shè)計功能提高齒輪性能。這些專業(yè)的、易用的功能使齒輪專用分析工具在齒輪行業(yè)得到大量的應(yīng)用，指導(dǎo)工程人員進(jìn)行齒輪設(shè)計和仿真分析。

不過，雖然這些齒輪專用分析工具具有強(qiáng)大的功能，但是依然無法滿足齒輪傳動分析的全部要求，比如無法進(jìn)行齒輪瞬態(tài)響應(yīng)分析、無法進(jìn)行齒輪敲擊噪聲分析等。具體來說有以下局限性：

• 采用線性頻域算法，主要用于穩(wěn)態(tài)分析，無法進(jìn)行時域瞬態(tài)分析（如加減速工況分析、時域載荷歷程輸出）；

• 主要用于齒輪嘯叫分析，不能進(jìn)行齒輪敲擊噪聲分析（瞬態(tài)性能分析）；

• 只能對齒輪產(chǎn)品分析（如齒輪箱），無法對包含齒輪傳動的整個傳動系分析，例如整車Driveline分析、風(fēng)機(jī)整機(jī)分析；

• 主要考慮齒輪機(jī)械性能，無法與控制系統(tǒng)耦合實現(xiàn)聯(lián)合仿真。

因此，還需要其它工具軟件以滿足齒輪分析的仿真需求。

（2）傳統(tǒng)多體動力學(xué)軟件

由于齒輪專用分析工具存在一定的不足，有些工程人員會使用傳統(tǒng)的多體動力學(xué)工具進(jìn)行齒輪分析，能在整機(jī)環(huán)境下模擬齒輪傳動與其它部件之間的耦合或者分析控制系統(tǒng)對齒輪傳動的影響等。但是由于齒輪傳動的復(fù)雜性和專業(yè)性，傳統(tǒng)通用的多體動力學(xué)軟件對齒輪傳動仿真的準(zhǔn)確度和精確度往往無法達(dá)到齒輪產(chǎn)品的實際要求。具體來說這種分析軟件有以下局限性：

• 求解器主要用于中低頻仿真，很少用于高頻分析，無法進(jìn)行齒輪嘯叫和敲擊等NVH分析；

• 齒輪建模和仿真功能弱，只能考慮個別類型齒輪（如直齒輪、斜齒輪）的修形和摩擦；

• 對柔性體齒輪支持差；

• 無法考慮齒輪嚙合時變剛度。

由于上述原因，傳統(tǒng)多體動力學(xué)軟件在齒輪行業(yè)應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在對齒輪傳動要求精度不高的整機(jī)級或系統(tǒng)級分析中。

綜上所述，不論是使用專業(yè)的齒輪專用分析工具，還是傳統(tǒng)的通用多體動力學(xué)分析軟件都無法完全滿足齒輪分析的需求。那么，這就需要使用Simpack軟件進(jìn)行齒輪仿真分析。

Simpack作為專家級機(jī)電/機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，具有專業(yè)的齒輪仿真模塊，集成了齒輪專用分析軟件和多體動力學(xué)軟件的技術(shù)優(yōu)勢，既能詳細(xì)考慮齒輪宏觀幾何和微觀幾何，自動計算嚙合時變剛度，獲得精確的齒輪傳動分析結(jié)果，又能把齒輪傳動與其它部件連接起來，實現(xiàn)整機(jī)級傳動系統(tǒng)分析甚至進(jìn)行機(jī)電一體化分析等。

這就是為什么齒輪仿真需要使用Simpack的原因。這里說明一下，Simpack與齒輪專用分析工具的分析方法、分析重點都不一樣，兩者并不是直接競爭關(guān)系。

2.Simpack齒輪分析的功能和特點

Simpack是世界上第一款采用完全遞歸算法、利用相對坐標(biāo)系建立模型的多體動力學(xué)軟件。其帶有功能強(qiáng)大的齒輪建模和仿真功能，實現(xiàn)齒輪瞬態(tài)分析、NVH等。具有以下特點：

• 求解速度快、精確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、適應(yīng)性廣

• 直接建立常見類型的齒輪模型，模型精度高，詳細(xì)考慮齒輪的宏觀幾何和微觀幾何

• 卓越的NVH高頻分析能力，達(dá)到聲學(xué)級別，分析齒輪嘯叫和敲擊問題

• 優(yōu)化的齒輪接觸解析方法，快速仿真齒輪傳動的動態(tài)特性，獲得高保真的仿真結(jié)果

• Simpack使用全參數(shù)化齒輪建模，以實現(xiàn)齒輪參數(shù)DOE分析和最優(yōu)化

• 強(qiáng)大的實時仿真功能，支持硬件在環(huán)(HiL)等

 

（1）Simpack齒輪建模

支持在Simpack中通過輸入?yún)?shù)直接建立齒輪幾何模型，且這些參數(shù)可以完全參數(shù)化，支持對參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。

能考慮齒輪的宏觀和微觀幾何，包括齒廓/齒側(cè)修形和齒距誤差等參數(shù)。

同時，Simpack還支持柔性體齒輪，考慮齒輪柔性對齒輪傳動的影響。

 

（2） Simpack齒輪嚙合接觸

Simpack具有特有的齒輪解析仿真分析方法，通過輸入齒輪嚙合參數(shù)（例如楊氏模量、泊松比、阻尼、摩擦系數(shù)等），進(jìn)行齒輪嚙合仿真計算，仿真速度快，精度高，穩(wěn)定性好，同時能考慮齒輪偏差等因素的影響。

Simpack通過“切片”方式進(jìn)行齒輪嚙合計算，能精確模擬齒輪嚙合力大小以及分布情況，更加真實準(zhǔn)確地模擬齒輪傳動實際情況，并能得到齒輪嚙合的時變剛度等參數(shù)。

另外，Simpack還具有獨特的花鍵建模和仿真分析功能，能建立精確的花鍵連接，幫助實現(xiàn)更詳細(xì)的傳動系仿真模型。

 

3. Simpack齒輪分析典型應(yīng)用

Simpack齒輪仿真仿真技術(shù)已經(jīng)在風(fēng)電、汽車、工業(yè)傳動等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其典型應(yīng)用主要有：

（1）      齒輪箱/變速箱NVH分析（嘯叫和敲擊）

除了齒輪嘯叫分析外，Simpack還能通過時域仿真進(jìn)行敲擊分析。例如，戴姆勒公司采用Simpack進(jìn)行某型號DCT變速箱NVH分析，評估其嘯叫和敲擊噪聲，并根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。

 

 

（2）      齒輪傳動系振動分析

Simpack能對齒輪傳動進(jìn)行振動分析，包括坎貝爾圖、階次分析、工作變形分析等。例如，風(fēng)電行業(yè)根據(jù)GL認(rèn)證要求，使用Simpack進(jìn)行風(fēng)機(jī)傳動鏈振動分析。

 

（3）      真實的齒輪傳動時域仿真

結(jié)合Simpack其他模塊功能，能建立精確的齒輪傳動仿真系統(tǒng)，模擬隨時間變化的各種工況并分析。例如，寶馬摩托車公司使用Simpack對變速箱換擋過程進(jìn)行分析，并研究參數(shù)對性能的影響。

  

 

（4）      整機(jī)級動態(tài)性能仿真

把齒輪傳動系統(tǒng)與其它機(jī)構(gòu)部件集成，進(jìn)行整機(jī)級系統(tǒng)動態(tài)性能仿真，更加真實模擬現(xiàn)實模型。例如，對包含詳細(xì)變速箱模型的汽車整車傳動系進(jìn)行動態(tài)仿真及NVH分析，分析各部件的相互耦合作用。

 

 

（5）    與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真

包含齒輪傳動的機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)更加精確的機(jī)電一體化分析。例如，風(fēng)機(jī)整機(jī)與控制、空氣動力學(xué)等軟件聯(lián)合實現(xiàn)變槳及偏航過程中的整機(jī)動態(tài)性能仿真。

 

（6）    Realtime實時仿真

基于高效的齒輪仿真求解速度和領(lǐng)先的實時仿真技術(shù)，Simpack支持建立各種實時仿真系統(tǒng)。例如，美國克萊姆森大學(xué)使用Simpack建立風(fēng)機(jī)硬件在環(huán)（HIL）實時仿真實驗室，用于研究風(fēng)機(jī)性能。

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