一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，包括步骤：搭建发动机平衡轴系统的刚性模型；进行网格划分，得到有限元模型；在有限元模型上设置凝聚节点，并将凝聚节点与接触边界耦合起来；完成有限元模型的缩聚处理，用生成缩聚模型并代替有限元模型进行力学分析；齿轮的柔性化；在曲轴上施加各转速激励，开始仿真计算；提取各转速下的各齿轮副的齿面啮合力；对啮合力进行数据处理，得到啮合力峰值，基于啮合力峰值得到冲击指标，基于冲击指标得到敲击评价。本发明专利技术所述的方法可以建立全柔性化的平衡轴系统仿真模型并针对平衡轴剪刀齿的敲击异响进行定量评价，为平衡轴剪刀齿的齿轮敲击问题分析和优化提供依据。提供依据。提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法


[0001]本专利技术属于汽车发动机NVH领域，尤其涉及一种平适用于衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法。

技术介绍

[0002]随着汽车产业的不断发展和消费升级，人们对汽车的舒适性要求越来越高，发动机振动和噪声水平成为发动机及汽车综合性能的重要评价指标之一。往复式发动机由于工作过程的周期性和机件运动的周期性会产生旋转惯性力和往复惯性力，且对于直列四缸发动机而言，其产生的二阶往复惯性力无法通过自身来平衡。在工程中，常采用带剪刀齿的平衡轴来平衡发动机的二阶往复惯性力，但这会产生齿轮啸叫和齿轮敲击等噪声问题。大部分针对平衡轴剪刀齿异响的研究集中在齿轮啸叫方面，且由于剪刀齿结构的特殊性及齿轮敲击机理的复杂性，导致剪刀齿的齿轮敲击异响问题至今仍未形成统一的评价方法。
[0003]目前，针对齿轮敲击的评价主要有转速波动评价指标、转速标准差评价指标、能量评价指标、冲量评价指标、Jerk评价指标等。其中转速波动和转速标准差评价指标适用于定性分析齿轮敲击情况，且精确度存在一定误差；能量指标和冲量指标对于一般空载齿轮的敲击评价较为准确且应用较多，但由于剪刀齿的扭簧作用，啮合齿轮之间存在着预扭力矩，导致能量损失不止是由敲击产生，也由齿面摩擦和齿轮啸叫等原因产生，所以能量指标或冲量指标应用于剪刀齿的时候会产生很大的误差，甚至和试验结果完全不符。2013年，Yogesh Bile等研究员在SAE(美国汽车工程师学会)期刊上提出了Jerk敲击评价指标，该评价指标能较好的评价齿轮敲击噪声。不过该评价指标仍存在着以下的不足：(1)对于某一时间内的敲击评价采用均方根的处理方式；(2)无差别地对采集到的齿轮啮合力都进行计算。不同转速在相同周期内，齿轮发生敲击的次数不同，而均方根只能反映出平均每次敲击的强度大小，并不能反映出在相同周期内的总敲击强度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，该方法通过对平衡轴系统进行全柔性化建模，根据仿真模型得到各齿轮副的齿面啮合力，并对齿面啮合力进行处理，得到评价剪刀齿敲击的冲击指标。后续用冲击指标即可对平衡轴剪刀齿的齿轮敲击异响进行定量评价，分析平衡轴系统在不同转速下的齿轮敲击程度，为平衡轴剪刀齿的齿轮敲击问题分析和优化提供依据。
[0005]为了实现本专利技术目的，本专利技术提供的一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，包括以下步骤：
[0006](1)搭建发动机平衡轴系统的刚性模型并设置边界条件；
[0007](2)将发动机平衡轴系统的刚性模型中除了齿轮、轴承以外的其他零部件进行网格划分，得到有限元模型；
[0008](3)在有限元模型上设置凝聚节点，并将凝聚节点与接触边界耦合起来；
[0009](4)将生成凝聚节点的有限元模型导入传动系统分析软件中，根据连接关系进行有限元替换，并在软件中完成有限元模型的缩聚处理，用生成的缩聚模型代替有限元模型进行力学分析；
[0010](5)进行齿轮的柔性化；
[0011](6)在曲轴上施加各转速激励，开始仿真计算；
[0012](7)从仿真计算结果中提取各转速下的各齿轮副的齿面啮合力；
[0013](8)对啮合力进行数据处理，得到啮合力峰值，基于啮合力峰值得到冲击指标，基于冲击指标得到敲击评价，其中：
[0014]冲击指标为I
driven
是从动齿轮的转动惯量，是某转速下发动机三个工作循环的所有的累加值，是啮合力峰值对时间求导；
[0015]敲击评价为RI
n
表示第n对相互啮合齿轮之间发生的敲击评价。
[0016]进一步地，步骤(1)中，以发动机缸体与悬置支架的实际连接处作为边界条件。
[0017]进一步地，步骤(2)中，进行网格划分时考虑到计算规模的大小，网格类型选择二阶四面体单元。
[0018]进一步地，步骤(3)中，根据各零件之间的连接关系，在有限元模型上设置凝聚节点。
[0019]进一步地，步骤(4)中，采用缩聚模型进行力学分析，可以显著地减少模型本身的自由度数目，有利于提高力学分析的计算效率。
[0020]进一步地，步骤(5)中，由于该传动系统分析软件的齿轮建模较为精确，且齿轮尺寸较小，所以可以在软件中直接进行齿轮的精确建模和柔性化，最终完成发动机平衡轴系统的全部柔性化。
[0021]进一步地，所建立的发动机平衡轴系统模型包括发动机缸体、曲轴、平衡轴托盘、平衡轴、曲轴齿轮、剪刀齿轮、从动齿轮、轴承，其中完整的剪刀齿轮由剪刀主齿、剪刀副齿、扭簧、卡簧、销等组成。
[0022]进一步地，剪刀齿轮的装配关系如下：剪刀主齿通过过盈配合固定在平衡轴上，剪刀副齿浮动在剪刀主齿的轮毂上，轴向通过卡簧进行限位，主副齿轮通过中间的销和扭簧，在相对转动的时候会产生预载扭矩，会使剪刀主齿和副齿分别与曲轴齿轮的左右齿面接触，从而达到消除齿侧间隙的作用。
[0023]进一步地，在软件中为了表示相互接触的零部件之间的受力情况，在对应的接触位置设置轴向或径向间隙轴承，用于力的传递。
[0024]进一步地，所述步骤(8)中对啮合力进行数据处理包括如下步骤：
[0025](a)对啮合力数据进行筛选：当齿面脱离啮合后，再次接触才算发生敲击，故应该判别每一次啮合力是否从0kN开始；且根据钢对钢的冲击实验可得最小冲击时间为0.5ms，所以要判断每次敲击时间是否大于0.5ms，若不符合以上要求则舍弃该数据；
[0026](b)通过程序识别每次敲击啮合力的峰值及其对应的时间，得到啮合力峰值对时间的导数
[0027](c)将某转速下发动机三个工作循环的所有进行累加，得到
[0028](d)计算冲击指标；
[0029](e)计算整个平衡轴系统的敲击评价；
[0030](f)其他转速下的齿面啮合力数据处理过程重复(a)至(e)，可以求得其他转速下的敲击评价结果；
[0031]进一步地，通过试验的主观评价识别从哪个转速开始出现明显的齿轮敲击，将该转速下的冲击指标作为本模型的敲击门槛。
[0032]与现有的技术相比，本专利技术的有益效果至少为：
[0033](1)建立全柔性化的平衡轴系统模型，可以较为准确地表示系统中各零部件的变形，提高仿真的正确性；
[0034](2)基于齿面啮合力的冲击指标，可以避免剪刀齿自身预扭力矩的影响，提高评价结果的准确性；
[0035](3)基于齿面啮合力的冲击指标，可以定量评价不同转速下的敲击水平，评价过程简单且结果直观；
[0036](4)将台架试验的主观评价与敲击指标相结合，可以确定模型的敲击门槛；
[0037](5)基于齿面啮合力的冲击指标，评价结果准确可靠，可以为平衡轴剪刀齿的齿轮敲击问题分析和优化提供依据。
附图说明
[0038]图1是本专利技术实施例提供的计算流程示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)搭建发动机平衡轴系统的刚性模型并设置边界条件；(2)将发动机平衡轴系统的刚性模型中除了齿轮、轴承以外的其他零部件进行网格划分，得到有限元模型；(3)在有限元模型上设置凝聚节点，并将凝聚节点与接触边界耦合起来；(4)将生成凝聚节点的有限元模型导入传动系统分析软件中，根据连接关系进行有限元替换，并在软件中完成有限元模型的缩聚处理，用生成的缩聚模型代替有限元模型进行力学分析；(5)进行齿轮的柔性化；(6)在曲轴上施加各转速激励，开始仿真计算；(7)从仿真计算结果中提取各转速下的各齿轮副的齿面啮合力；(8)对啮合力进行数据处理，得到啮合力峰值，基于啮合力峰值得到冲击指标，基于冲击指标得到敲击评价，其中：冲击指标为I
driven
是从动齿轮的转动惯量，是某转速下发动机三个工作循环的所有的累加值，是啮合力峰值对时间求导；敲击评价为RI
n
表示第n对相互啮合齿轮之间发生的敲击评价。2.根据权利要求1所述的一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，其特征在于，所建立的发动机平衡轴系统模型包括发动机缸体、曲轴、平衡轴托盘、平衡轴、曲轴齿轮、剪刀齿轮、从动齿轮、轴承，剪刀齿轮包括剪刀主齿、剪刀副齿、扭簧、卡簧、销。3.根据权利要求2所述的一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，其特征在于，剪刀齿轮的装配关系如下：剪刀主齿通过过盈配合固定在平衡轴上，剪刀副齿浮动在剪刀主齿的轮毂上，轴向通过卡簧进行限位，主副齿轮通过中间的销和扭簧，在相对转动的时候会产生预载扭矩，会使剪刀主齿和副齿分别与曲轴齿轮的左右齿面接触，从而达到消除齿侧间隙的作用。4.根据权利要求1所述的一种适用于平衡轴剪刀齿的齿轮敲击的计算和评价方法，其特征在于，在软件中为了表示相互接触的零部件之间的受力情况，在对应的接触位置设置轴向或径向间隙轴承，用于力的传递。5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学智，郭耿亮，上官文斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：