在其运行期间，用于将能量从发动机传递至车轮的齿轮箱非常嘈杂。 产生这种不良影响的第一个原因是，通过齿轮将能量从一个轴传输到另一个轴所产生的横向和轴向力会对轴承和轴承座产生不良的机械作用。 第二个原因是变速箱各个组件（包括轴承和外壳）的灵活性，这也可能导致振动。 变速箱中齿轮离合器的可变刚度导致恒定的振动传递到壳体，壳体进而振动并传递能量到周围的流体（例如变速箱油），从而在其中激发声波。

为了在设计的早期阶段有效降低此类复杂动态系统中的噪声水平，开发工程师经常采用数值模拟。 在刀具下方，以5速同步机械变速箱为例，我们在COMSOLMultiphysics®中描述并展示了这种研究的方法论，包括对齿轮机械接触的强度分​​析，对多体齿轮箱组件的动力学分析以及对工作齿轮箱在周围空间中产生的噪声的声学分析。

可视化工作变速箱产生的声音

步骤1.齿轮传动中的机械接触的计算

传动装置（我们将认为是弹性的）是持续振动的来源。 因此，有必要评估齿轮在不同位置的刚度。 齿在操作期间变形，并且针对各种旋转角度执行一系列固定强度计算，以确定在齿轮离合器循环期间刚度如何变化。 为了进行计算，将罚分方法应用于接触，并确定限制因素以解决扭转齿轮，由此产生接触力。

这种分析结果以齿轮副中的Mises应力分布的形式给出的特征结果表明，在接触点和齿根处都有较高的应力值（图1，左）。 此外，该计算使我们能够观察和分析齿轮在轴旋转过程中的刚度变化（图1，右）。

图 1.左：消除齿轮副中的应力分布。 右：轴旋转过程中齿轮离合器的刚度变化。

步骤2.轴，齿轮和轴承座的多体系统分析

考虑到在第一步中计算接触时所预测的齿轮离合器的刚度，在驱动轴一个完整旋转的时域中进行多体系统分析。 该分析对于计算齿轮的动力学以及传递到壳体的最终振动的值是必要的。 在此示例中，分析是在5000 rpm的发动机转速和2000 N∙m的输出扭矩下进行的。 该计算是在以下假设下进行的：轴和齿轮均是完全刚性的，但齿轮离合器除外，其离合器的刚性来自先前对机械接触的研究。 由结构钢制成的主体被视为弹性体。

在驱动轴和中间轴传递的力的作用下，壳体中的米塞斯应力分布以及振动壳体的正常加速度（这是噪声辐射的原因）在图5中显示。 2。

图 2.左：分散壳体中的应力分布。 右：在身体表面获得的正常加速度。

在图。 图3示出了在身体上部的点之一及其频谱上的正常加速度的时间图。 外壳以最大振幅振动的频率在1500到2000 Hz之间。

图 3.在身体表面某个点的法向加速度。 左：时序图。 右图：其频谱。

步骤3.声学计算从外壳发出的噪声

通过分析多体系统的动力学获得的正常船体加速度随后可以在声学研究中用作噪声源。 使用频域研究，您可以预测齿轮箱外部的声压级。 由于在时域中获得了正常的加速度值，因此使用直接快速傅立叶变换（FFT）将其转换为频域。 为了计算声压，齿轮箱应该被空气区域包围，并且为了减小计算区域的尺寸而又不降低结果的准确性，将球形波阵面的Sommerfeld型辐射条件应用于空气区域的外边界，以便传出的声波可以以最小的反射离开模拟区域。

通过该计算，您可以获取有关外壳表面和附近区域（图4）中声压级的数据，并从不同平面中且距离1 m处的远区域的图中，可以找到选定频率下噪声辐射的主要方向（图5）。

图 4.外壳表面（左）和附近区域（右）的声压级为1500 Hz。

图 5.频率为1500 Hz时，在xy，xz和yz平面的较远区域中的声压级（dB）分别为1 m。

结论

在本说明中，我们研究了一种结合齿轮的机械静态分析，多体系统的动态研究和后续声学计算的方法，对变速箱噪声建模的方法。

COMSOL Multiphysics®软件包的实际功能甚至可以使您以音频格式记录和再现所研究齿轮箱的噪声 ，从而使模拟更接近真实的物理实验。

这项技术可在生产过程开始之前使用，以在工作速度范围内制造出噪音较小的变速箱，以及对工业和音乐设备中其他工作机制进行复杂建模。

附加信息

该材料基于以下文章：

• 使用软件进行齿轮箱噪声预测 ，汽车技术评论，2017年6月
• 如何使用COMSOL Multiphysics®模拟变速箱中的振动和噪声 ，COMSOL公司博客

可以在此处观看有关该类装配模型的详细视频课程，该模型用于对工作变速箱进行联合振动和声学分析 。 您也可以在评论中或在我们的网站上请求COMSOL的演示版本，并独立地熟悉本说明中描述的模型及其组装的分步说明 。

由B＆K，Knowles，ABB， HARMAN和NASA的研究团队在声学计算中使用COMSOL®的更多示例可以在COMSOL NEWS 2017：俄罗斯声学中找到。

最终GIF：