大幅提升变速箱工程生产力

简介

变速箱工程师习惯了在多体仿真环境中对变速箱进行建模和参数化的繁琐过程。他们通常需要花费数天的时间进行模型准备，然后才能对非线性动力学特性进行数字仿真，以获得系统级载荷，用于噪声、振动和粗糙度 (NVH)、瞬态和耐久性分析，并针对这些属性优化设计。 

本白皮书介绍了 Simcenter 3D Motion Transmission Builder：这是一款垂直应用程序，它革命性地改变了用户在建立变速箱的多体仿真模型时的体验，同时极大地提高了生产力。Simcenter 3D Transmission Builder 使工程师能够在一个小时内从最初的设计前进到精确的仿真。 

Siemens Digital Industries Software 的多体研究团队投入了大量精力，重新研究了驱动链仿真的数字方法。新的求解器架构旨在使用户能够根据所需的计算时间和预测能力水平，根据齿轮接触的三个不同保真度级别执行动态多体仿真：标准、分析和高级。这种灵活性使设计工程师可以为所研究的性能工程预测选择合适的模型精度。本白皮书使用行业相关案例描述了该功能。 

高层摘要

近年来，针对在系统级别有效地分析变速箱，工程师付出了巨大努力，以期获得更高的效率、噪声性能和可靠性。此过程的主要挑战是以足够详细且具备出色计算能力的高效方式捕获非线性系统动力学特性。在设计齿轮箱之后，设计工程师需要使用多体仿真，在进行 NVH、瞬态、耐久性和其他分析时准确预测系统行为。直到最近，建立多体仿真模型还是一个繁琐且容易出错的手动过程。即使是有经验的用户，面对相当复杂的模型，建模、参数化和迭代也可能需要几天的时间。 

图 1：工作流 – 根据齿轮设计规范，工程师可以使用 Simcenter 3D Transmission Builder 快速、准确地定义变速箱布局并生成多体仿真模型。

Simcenter 3D Transmission Builder 还提供与新齿轮接触元件的接口。本白皮书介绍了 Simcenter 3D Motion 的一些创新功能。重新设计了接触检测方法，并针对非线性有限元 (FE) 求解器进行了验证，从而动态考虑诸如微几何修改、错位、齿尖接触、楔入等影响。这些高级方法基于一种新颖的构想，并使用与鲁汶大学（比利时）和卡拉布里亚大学（意大利）合作开发的新型有限元预处理器，目前已扩展到可解决由灵活性引起的各种问题（轻型齿轮、对流耦合效应等）。此外，还采用了一种基于模型降阶 (MOR) 的新颖方法来高效分析动态多体仿真环境中的轻型齿轮和环形齿轮。 

背景：变速箱设计工程

由于人们越来越关注环境问题，因此工业界对能效和排放设定了严格的目标。制造商被迫通过平衡客户（提高性能）和监管机构（提高效率）之间相互矛盾的要求来改进其设计。在汽车和风能应用中，机械变速箱造成了大量的能量损耗（占总损耗的百分之六至百分之八）。最近的研究1, 2表明，变速箱有着减少 50％ 能量损耗的巨大空间，这意味着汽车领域有减少 930 万吨二氧化碳排放的潜力，但并未考虑损耗现象及其对关键性能属性（如耐久性和噪声）的影响。可达到这种平衡的解决方案需要在变速箱设计工程流程中具备对系统级动力学特性的预测能力。 

变速箱系统的基本组件是齿轮、轴承、轴和支撑结构。它们彼此间相互连接，而且支撑结构实质上影响了轴承接触和齿轮啮合，这会影响传递误差。大约 70％ 的能量损耗发生在齿轮系中，而 30％ 发生在轴承中。 

因此，在从汽车（轿车、卡车、公共汽车）到风力涡轮机再到直升机的许多应用中，变速箱都成为重大的设计工程挑战。这当中的主要挑战是以足够详细且具备出色计算能力的高效方式捕获非线性系统动力学特性。变速箱的设计者有两个软件解决方案系列选择，可以用来支持其设计和仿真。第一个系列针对变速箱设计，提供了可在设计流程中使用的变速箱特定知识，但缺乏某些仿真功能，尤其是在系统级动力学特性方面。第二个系列包括通用多体仿真工具（例如 Simcenter 3D Motion），在其中必须创建驱动链几何以及特定于仿真的元素（关节、轴系统、体、力元素）。只有在这种环境下，才能在可行的时间范围内获得足够准确的预测，即预测非线性动力学特性、噪声和振动以及耐久性能。直到最近，在多体仿真工具中建立完整的变速箱模型还是一个繁琐且容易出错的手动过程。即使是有经验的用户，通过建模、参数化和迭代来构建相当复杂的模型也可能需要几天的时间。利用本白皮书中介绍的技术进步，设计工程师可以在多体仿真环境中高效地建立仿真模型，并基于准确的仿真有效地预测和优化其设计。 

图 2 所示的变速箱用作 750 kW 风力涡轮机（与发电机耦合）的增速器。得益于 Simcenter 3D Transmission Builder 的易用性，创建该模型只用了几分钟。

图 2：变速箱示例 – 风力涡轮机的三级变速箱（具有一个行星级和两个螺旋级）。

Simcenter 3D Transmission Builder

Simcenter 3D Transmission Builder 为在 Simcenter 3D Motion 中构建复杂的变速箱系统提供了易于使用的界面。它便于设置直接链接到求解器和有限元预处理器的基本几何和拓扑，并执行自动定相。因此，Simcenter 3D Transmission Builder 大大减少了模型创建时间。 

Simcenter 3D Transmission Builder 的主窗口布局如图3 所示。 

图 3：Simcenter 3D Transmission Builder 的主窗口布局。

在制定变速箱设计决策时，Simcenter 3D Transmission Builder 会紧跟用户的工作流，并通过分析和仿真指导这些决策。用户从变速箱布局设置开始，布置轴、齿轮、轴承等，并定义直齿轮、斜齿轮和行星齿轮系统的齿轮啮合条件。随后执行符合 ISO 21771 标准4的齿轮几何计算，根据该标准从变速箱设计参数生成齿轮几何。然后，Simcenter 3D Transmission Builder 在 Simcenter 3D Motion 中创建 3D 几何模型。接下来，只需单击一下即可创建齿轮的微几何（参见图 4），包括轮廓和后齿线修改或其组合，以及为齿轮接触模型输入创建文件。

然后可以使用 Simcenter 3D Transmission Builder 创建初始和边界条件，例如组件初始角度、自动齿轮定相、关节（轴承和联轴器）、约束等。最后，齿轮接触管理器可以与齿轮接触模型进行对接，以便用户准备好求解变速箱系统 – 通常在一个小时以内。

图 4：创建微几何。

求解变速箱系统