CN111279348B - 传动系统建模器 - Google Patents

Abstract

一种用于对传动系统进行建模的计算机实现的方法，传动系统包括多个部件。方法包括以下步骤：a)接收传动系统的参数描述；b)根据参数描述创建传动系统的热模型；c)使用热模型计算针对传动系统的一个或多个部件的温度分布；d)基于参数描述和温度分布，确定由热分布引起的传动系统的一个或多个部件的挠曲；以及e)基于所确定的一个或多个部件的挠曲计算传动系统的性能度量。

Description

传动系统建模器

技术领域

本发明涉及使用计算机辅助工程(CAE)的传动系统和构成传动系统的组件的设计和建模，具体地涉及热性能对设计的影响。

传动系统包括由多个部件组成的系统，这些部件可以包括内燃机、变速箱、变速器、传动轴、等速万向节、万向节、车轴、差速器、电机、发电机、电动机、飞轮、电池、燃料箱、超级电容器、燃料电池、逆变器、转换器、离合器、齿轮、泵、轴、外壳、活塞、叶片、轴承、转子、定子等。传动系统的应用可以包括车辆、涡轮机、船舶、飞机、直升机和风力涡轮机。

背景技术

机械传动系统专注于机械工程方面，因为机械子组件占主导地位，而电气子组件是次要的。术语机电传动系统用于解释以下事实：许多行业的最新发展已经看到越来越多地使用电驱动器，电气子组件在其中变得越来越重要。示例行业包括风能、电动和混合动力客车、混合动力船用驱动器、更多的电动飞机以及带有再生制动的火车。术语“电机”通常用于指代电动机/发电机，因为它们通常是可以在任何一种模式下操作的相同部件。当提到电机时，这可能意味着以下任何一种：有刷直流电机、包括双馈感应发电机的感应电机、表面安装的永磁电机、内部安装的永磁电机、轴向磁通永磁电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机、绕线场电机、双凸极或磁通切换永磁电机以及永磁辅助同步电机。

在许多这些示例中，电气和机械系统越来越集成在一起，以实现令人满意的动力密度、成本和效率。

电机通常需要电子部件，诸如，逆变器、转换器等，它们可以统称为电力电子设备。因此，可能存在定义机电传动系统的三个主要子系统-变速箱、电机和电力电子设备。这三个子系统通过不同的物理原理操作，但是当它们在集成的机电传动系统中组装在一起时，这三个子系统之间便开始发生物理相互作用。而且，随着这些子系统的性能进一步扩展，不同的物理现象开始相互影响。术语“传动系统”涵盖一种系统，该系统包括电机、变速箱和电力电子设备中的任何一个或全部。

传动系统的主要功能是传递机械旋转动力。机电传动系统还可以将动力从电气的转换为机械的，或者反之亦然。这需要以最小的动力损失来尽可能高效地完成。在应对全球变暖的斗争中，在混合动力和电动汽车的设计旨在最小化能源/燃料消耗的情况下，这一要求变得越来越重要。

GB2506532A公开了一种方法，其中在单个参数模型中定义了传动系统的关键工程参数，包括形状、功能、操作条件和属性。这些参数在参数描述中定义，其允许快速重新定义设计，从而允许根据多种物理模拟的结果进行快速的设计-分析-重新设计的迭代。

发明内容

本文描述的一个或多个示例涉及热性能以及其如何与诸如传动系统中的部件的挠曲(deflection)、应力、疲劳、效率、噪声、振动、磨损等物理行为的其他方面相互作用的主题。这种示例的功能性可以为设计工程师提供关于热行为及其对传动系统性能的其他方面的影响的见解，使得设计可以被优化并被确认适合于以前无法实现的生产力。将新产品推向市场可以节省时间和金钱。而且，通过使用本文公开的示例可以有效地解决现有产品中的问题。最重要的是，存在进一步保护人类生命的潜力。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于对传动系统进行建模的计算机实现的方法，该传动系统包括多个部件，该方法包括以下步骤：

a)接收传动系统的参数描述；

b)根据参数描述创建传动系统的热模型；

c)使用热模型计算针对传动系统的一个或多个部件的温度分布；

d)基于参数描述和温度分布，确定由热分布引起的传动系统的一个或多个部件的挠曲；以及

e)基于所确定的一个或多个部件的挠曲计算传动系统的性能度量。

本文公开的任何方法可以包括：

根据参数描述创建传动系统的结构模型；以及

基于结构模型和温度分布，确定由热分布引起的传动系统的一个或多个部件的挠曲。

本文公开的任何方法可以包括：

基于热模型以及所确定的挠曲，重新计算针对传动系统的一个或多个部件温度分布；以及

针对重新计算的温度分布重复步骤d)和e)。

本文公开的任何方法可以包括：

将温度分布和/或挠曲与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于热模型以及所确定的挠曲，重新计算针对传动系统的一个或多个部件的温度分布；以及

针对重新计算的温度分布重复步骤d)和e)。

本文公开的任何方法可以包括：

基于传动系统的性能度量更新参数描述；以及

针对更新的参数描述重复步骤b)至e)。

本文公开的任何方法可以包括：

将性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于性能度量更新参数描述；以及

针对更新的参数描述重复步骤b)至e)。

本文公开的任何方法可以包括：

接收要针对传动系统被执行的分析类型的指示；以及

根据要被执行的分析类型计算传动系统的性能度量。

本文公开的任何方法可以包括：

基于要被执行的分析类型，根据参数描述构建传动系统的数学模型；以及

根据要被执行的分析类型和数学模型计算传动系统的性能度量。

根据参数描述构建传动系统的数学模型可以包括：处理由参数描述提供的信息子集。

要被执行的分析类型可以是效率分析。性能度量可以是效率度量。

本文公开的任何方法可以包括：

基于以下各项计算传动系统的效率度量：(i)参数描述，(ii)所确定的一个或多个部件的挠曲，以及(iii)所计算的温度分布。

本文公开的任何方法可以包括：

基于以下各项计算传动系统的动力损失曲线：(i)参数描述，(ii)所确定的一个或多个部件的挠曲，以及(iii)所计算的温度分布；以及

将性能动力损失曲线与一个或多个循环结束条件进行比较。

如果一个或多个循环结束条件未被满足，则：

该方法可以涉及：基于动力损失曲线重新创建传动系统的热模型；以及

基于重新创建的热模型重复动力损失曲线的计算；

如果一个或多个循环结束条件被满足，则：

该方法可以涉及：基于以下各项计算传动系统的效率度量：(i)参数描述，(ii)所确定的一个或多个部件的挠曲，以及(iii)所计算的温度分布。

本文公开的任何方法可以包括：

基于参数描述构建结构啮合(meshed)模型；

基于结构啮合模型构建啮合热模型；

使用以下各项计算针对传动系统的一个或多个部件的温度分布：(i)啮合热模型；以及(ii)与传动系统相关联的一个或多个流体温度；

基于以下各项确定由热分布引起的传动系统的一个或多个部件的挠曲：(i)结构啮合模型；以及(ii)温度分布；以及

基于所确定的一个或多个部件的挠曲计算传动系统的性能度量。

该方法还可以包括：

根据参数描述创建传动系统的集总参数热模型；

基于集总参数热模型计算与传动系统相关联的流体温度。

该方法还可以包括：

从传感器接收与传动系统相关联的流体温度作为输入。

计算性能度量可以包括：

针对多个不同的环境条件向传动系统应用驱动循环。

本文公开的任何方法可以包括：

基于要被执行的分析类型，自动确定参数描述的哪些特征要用于计算性能度量。

创建传动系统的热模型可以包括：

计算传动系统的一个或多个部件处的动力损失；以及

将所计算的动力损失转换为热模型的一个或多个热输入。

本文公开的任何方法可以包括：

基于所确定的挠曲计算操作失调(misalignment)值；以及

基于操作失调值针对传动系统计算动力损失。

本文公开的任何方法可以包括：

基于所确定的挠曲计算操作失调值；以及

基于操作失调值计算以下中的一个或多个：齿轮应力、齿轮疲劳、齿轮胶合、齿轮传动误差、齿轮啮合动力损失、齿轮啮合刚度、行星齿轮负载分担、轴承非线性刚度、轴承疲劳、传动系统效率、传动系统振型(mode shape)、由于诸如齿轮传动误差等激励而产生的动态强制响应、扭矩波动、定子径向力。

该方法还可以包括：

使用传动系统内的预测的润滑剂温度作为齿轮胶合计算的输入。

本文公开的任何方法可以包括：

通过执行传动系统的动态分析来计算性能度量，包括计算传动系统中的部件的质量和刚度的矩阵。

该方法还可以包括：

计算等速万向节的负载和与角度相关的刚度，并且将这包括在传动系统动态分析中。

该方法还可以包括：

计算滚动元件轴承的与负载相关的刚度，并且将这包括在传动系统动态分析中。

传动系统的参数描述可以包括制造公差。

可以提供一种用于传动系统的计算机辅助工程设计的计算机可读产品，该产品包括用于实现本文公开的任何方法的步骤的代码装置。

可以提供一种用于传动系统的计算机辅助工程设计的计算机系统，该系统包括被设计用于实现本文公开的任何方法的步骤的装置。

可以提供一种使用本文公开的任何方法设计的传动系统。

根据本公开的又一方面，提供了一种用于对传动系统进行建模的计算机实现的方法，该传动系统包括多个部件，该多个部件包括变速箱，该方法包括以下步骤：

a)接收传动系统的参数描述；

b)接收要针对传动系统被执行的分析类型的指示；

c)根据参数描述创建传动系统的至少变速箱的热模型；

d)使用热模型计算针对传动系统的至少变速箱的温度分布；以及

e)根据要被执行的分析类型、所计算的温度分布和参数描述来计算传动系统的性能度量。

本文公开的任何方法可以包括：

基于参数描述创建传动系统的结构模型；以及

基于结构模型和所计算的温度分布来计算传动系统的性能度量。

本文公开的任何方法可以包括：

基于与传动系统相关联的循环性能度量重新创建热模型；以及

针对重新计算的温度分布重复步骤d)和e)。

该方法还可以包括：

将循环性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于与传动系统相关联的循环性能度量重新创建热模型；以及

针对重新创建的热模型重复步骤d)和e)。

本文公开的任何方法可以包括：

基于与传动系统相关联的循环性能度量重新计算温度分布；以及

针对重新计算的温度分布重复步骤e)。

循环性能度量可以包括性能度量或者中间性能度量。

该方法还可以包括：

将循环性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于与传动系统相关联的循环性能度量重新计算温度分布；以及

针对重新创建的热模型重复步骤e)。

传动系统可以包括电机。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例描述本发明，在附图中：

图1示出了单独的模型可以由单独的CAE工具用于单独的故障模式分析的方式；

图2a示意性地图示了参数描述的示例；

图2b示意性地图示了参数描述的特定示例；

图3图示了由四个不重叠的数据集形成的参数描述的另一表示；

图4示出了传动系统的参数描述可以被用于确定传动系统的多个性能度量的方式；

图5示出了用于对传动系统进行建模的计算机实现的方法的示意图，该方法使用热模型并且执行挠曲计算；

图6示出了用于对传动系统进行建模并且可选地设计传动系统的另一计算机实现的方法的示意图，该方法使用热模型和结构模型并且计算由于两者引起的挠曲；

图7示出了用于对传动系统进行建模的另一计算机实现的方法的示意图，该方法包括进一步的用户指定的分析以及热模型和结构模型；

图8a示出了用于对传动系统进行建模的另一计算机实现的方法的示意图，其类似于图7；

图8b示出了图8a的方法，其中热模型、结构模型和效率模型之间的迭代被标识；

图9示出了用于对传动系统进行建模或设计的计算机实现的方法的示意图的又一示例，其中热模型包括简单的集总参数热模型和啮合模型；

图10示出了用于对传动系统进行建模的另一计算机实现的方法的示意图，其中传动系统包括变速箱，并且该处理不必涉及计算挠曲；以及

图11示出了用于对传动系统进行建模并且可选地设计传动系统的另一计算机实现的方法的示意图，其类似于图10并且包括迭代循环。

具体实施方式

计算机实现的方法可以被用来对传动系统进行建模，特别地对表示传动系统设计的参数描述执行一种或多种不同类型的分析。下面将讨论可以实现参数描述的方式的进一步的细节。

传动系统设计工程师可以力求在设计过程内尽最大可能满足与以下一个或多个方面(作为非限制性示例)相关的性能目标：(i)传动系统效率，例如在由能量/燃料消耗表示的能量转换效率方面，(ii)避免由于疲劳或胶合引起的齿轮故障，(iii)避免由于疲劳引起的轴承故障，以及(iv)使齿轮磨损最小化并且使传动系统效率最大化。不同类型的分析可以被用来确定传动系统的不同性能度量，其然后可以与相关联的性能目标进行比较。满足性能目标的能力也可以被认为是避免了传动系统的“故障模式”。

模拟工具可以被用来应用这种分析。例如，用于机械传动系统设计的专用CAE工具(诸如，RomaxDESIGNER、MASTA和KissSoft)预测齿轮疲劳达到ISO 6336和AGMA 2001，并且轴承疲劳达到与ISO 281相关且从其得出的各种标准。使用ISO TR14179和其他方法预测齿轮胶合并且预测齿轮啮合损失。所有这些方法都是专门为齿轮和轴承开发的，因此在通用CAE工具中不存在，诸如，有限元分析(FEA)、基于模型的定义(MBD)或多域模拟。

在传统的CAE工具中，CAD提供了形状(几何结构)和一些方面的属性(例如，材料密度但不是杨氏模量)，但是它不包括操作条件或功能。MBD和FEA工具中的模型可以包括形状、功能、属性和操作条件的某些方面，但是只能包括与正在被模拟的特定故障模式相关的那些方面。

图1示出了单独的模型可以由单独的CAE工具使用的方式，使得每个模型可以被用来确定传动系统的性能度量，从而确定性能目标是否被满足并且故障模式被避免。这可以涉及将性能度量与性能目标进行比较。

在下面描述的各种示例中，传动系统的单个参数描述可以被使用，从中用于多个性能度量和故障模式分析的多个模型可以被得出。

图2a示意性地图示了参数描述200a的示例。参数描述200a包括多个数据集202a、204a、206a，其中一个或多个可以用于执行不同的CAE功能性210a、212a、214a。传统上，每个CAE功能性由单独的CAE工具提供，每个工具执行不同类型的分析。参数描述200可以包括定义传动系统并且可选地还有传动系统将被操作的方式的数据的集合(数据集202a、204a、206a)。

图2b示意性地图示了参数描述200b的特定示例，其与图2a的类似。图2b所示的CAE功能性是：MBD和FEA 210、多域动态模拟和专用CAE工具212和CAD 214。

在该示例中，“参数描述”200b包括以下数据集：形状202b、功能204b、属性208b和操作条件206b。这些数据集可以不重叠。

●形状202b可以包括与几何结构相关的数据。

●属性208b可以包括部件的材料属性以及部件特定属性，诸如，轴承的动态容量、齿轮齿面的表面粗糙度、润滑剂的粘度、轴材料的Goodman图、电机绕组的电阻率等。

●操作条件206b可以主要包括旋转机械的动力、速度、扭矩，既可以作为时间历史或者居住直方图，也可以包括温度、湿度等。

●功能204b可以定义产品、子系统和部件执行其主要功能的方式-例如，滚子轴承的功能是提供对轴的支撑，同时允许其旋转，将轴和轴承组装在一起，并且组合功能是提供可以应用负载的旋转轴，将齿轮安装在轴上，并使其与类似安装的齿轮啮合，并且组合功能是改变速度和扭矩。

下表是图2b的表格化表示，为了方便起见使用相同的参考数字。通过这种方式，该表示出了来自参数描述200b的哪些数据被不同的CAE功能性用于执行不同类型的分析。

重要的是，上表以及图2a和图2b示出了，一个参数描述200a、200b可以使得能够在一个CAE工具中执行多种分析类型，而不需要针对每个分析的单独的工具。

传统的CAE工具每个可以仅提供一种CAE功能性。为了执行该功能性，工具可能需要由上述参数描述提供的信息子集。例如：CAD 214b提供了属性208b的某些方面(例如，材料密度而不是杨氏模量)以及形状(几何结构)202b，但不包括操作条件206b或功能204b。MBD和FEA功能性210b需要模型，这些模型包括形状202b、功能204b、属性208b和操作条件206b的某些方面，但是仅包括与正在被模拟的特定故障模式相关的那些方面。多域动态模拟和专用CAE功能性212b中的模型使用与正在被模拟的特定故障模式相关的功能204b、属性208b和操作条件206b的各方面，但不使用形状202b。

取决于采用哪种CAE功能性210b、212b、214b，工程师必须从四个数据集中的一个或多个中选择数据，以创建适合执行分析的分析模型。

有利地，本文描述的示例可以包括可以执行多种CAE功能性的单个CAE工具。这至少部分是由于为不同的CAE功能性提供了公共信息源的单个参数描述。

图3图示了由四个不重叠的数据集302、304、306、308形成的参数描述300的另一表示。用于多体动力学或有限元封装分析310的相关数据集由形状集304、属性集306和操作条件集308的三角形集合重叠部分表示。类似地，用于多域动态模拟或专用车辆性能封装分析312的相关数据集由功能集302、属性集306和操作条件集308的三角形集合重叠部分表示。同样地，用于CAD分析314的相关数据由形状集304和属性集306的三角形集合重叠部分表示。在传统的CAE工具中，缺少所有四种类型的数据会导致设计过程内的工作流程的不连续性。

图4示出了诸如上述的参数描述400如何可以用于确定传动系统的多个性能度量，以及因此确定多个性能目标是否被满足并且故障模式被避免。与图1相比之下，有利地，图4的参数描述400和单个CAE工具不需要为每个CAE功能性手动构建单独的模型，并且也不需要在不同的CAE功能性之间移动数据。相比之下，可以为每种分析类型构建数学模型，从而从参数描述400中自动选择数据。

图4图示了本发明如何解决在传统的CAE工具中可能发生的工作流程中的不连续性，其中不存在具有多种类型的数据集的参数描述。图4的CAE工具可以运行多个模拟以确定传动系统的性能度量或不同故障模式的可能性。这些模拟中的每一个的结果来自传动系统的操作性能的数学模型，其中每种物理现象需要不同的算法，并且所有算法在单个CAE工具内可用，从而最大化工程生产率。

图4示意性地示出了更新传动系统的设计的步骤401。这可以涉及将CAE工具所计算的一个或多个性能度量与一个或多个性能目标进行比较。如果性能目标未被满足，使得相关联的故障模式不被避免，则软件可以在步骤401处通过调整参数描述400来更新设计。然后，CAE工具可以被应用于新的参数描述400以确定新设计是否避免了所有故障模式。下面将提供可以如何更新设计的进一步细节。

通过使齿轮经过啮合循环并计算啮合刚度的变化，可以使用CAE工具来计算传动误差(TE)。传动误差是旋转角度与标称值的偏差。所得的TE可以用作对传动系统结构的激励，从而导致强制响应分析和对壳体表面振动的预测，并在需要时预测辐射噪声。可以专门为齿轮和传动系统设置该过程。该模型可以是参数化的并可以快速运行，并且可以以可访问的图形用户界面的形式设置后处理。

在所有这些潜在故障模式及其对应的计算中，一个关键的影响因素是失调。失调可以由部件挠曲导致，使得它们的位置或至少一部分部件相对于另一部件的位置发生了变化。在滚动元件轴承内，轴承失调可以增加每个疲劳周期的应力并缩短轴承寿命。针对齿轮，失调可以增加配对齿之间的接触压力，其降低对疲劳的抵抗并增加胶合的可能性。失调还可以更改接触齿轮之间的接触面，从而增加TE并影响齿轮之间的油膜，从而增加齿轮啮合动力损失并降低总体传动系统效率。

计算传动系统的一个或多个部件的挠曲可能是有利的。如上面所指示的，作为一个示例，这种挠曲可能会导致在操作条件下齿轮和轴承的失调。为了计算齿轮和轴承的这种挠曲/失调，可以使用由轴、轴承和齿轮组成的完整变速箱子系统的数学表示。由于所施加的扭矩，在齿轮啮合处生成齿轮力，从而导致轴挠曲、轴承的与负载相关的挠曲和壳体变形(distortion)。在实践和计算中，结果都是当变速箱传递动力时齿轮和轴承失调，这会影响齿轮疲劳、胶合、TE和效率以及轴承疲劳的上述故障模式/性能目标。

用于传动系统设计的通用工具的局限性在于没有准确地包括热影响。然而，传动系统的关键机械部分(轴、轴承、齿轮、转子、壳体)通常由加热时会膨胀的金属制成，因此热影响对于结构分析和其他类型的分析可能很重要。

在一些应用中，了解在传动系统的子结构(例如，一个或多个部件)内的温度分布的情况可能是有利的。当传动系统传递动力时，摩擦会在齿轮和轴承处生成热量。而且，随着动力在机电传动系统中转换，电机和电力电子设备中也会有动力损失。所生成的热量通常通过直接传导到壳体并因此直接传导到周围环境，或间接传导到油，然后从那里传导到壳体，或者通过将油提取到某种形式的散热器而排除到环境中。

在已知的用于传动系统设计的工具中，尚不可能准确地考虑热影响，因为通常，不同的工具需要不同的模型，这需要表示传动系统的不同数据。例如，传动系统可以用不同的半离散化节点选择来不同地进行建模，以进行热分析和结构分析。将温度分布应用于机械模型也可能存在技术困难，因为节点可能位于不同的位置中。

传动系统的模拟主导设计可以是用于实现适合目的的设计的重要工具。本文描述的示例可以在执行建模和设计时有利地预测热行为。例如，可以从参数描述中计算温度分布，使得可以确定传动系统的准确性能度量。反过来，性能度量可以支持传动系统的改进设计被生成。改进的设计过程可以使传动系统不太可能由于热效应所引起的挠曲而发生故障。例如，确定传动系统中更准确的温度分布可以实现更准确的效率度量和更准确的挠曲值，这又可以导致更准确的耐用性度量。通过这种方式，可以减少由于对失调的低估而导致早期故障的可能性。

结果是，在使用已知的CAE工具进行传动系统的实际设计中，无法足够准确地包括热考虑。因此，传动系统的设计性能欠佳，和/或存在传动系统在测试和开发中甚或在操作中会故障的风险。实际上，这种故障甚至可能不会表现为热故障-例如，齿轮设计者可能会不正确地设计了齿轮的微观几何结构(未能考虑到热影响)，从而导致不良的齿接触、高应力和过早出现但显然是常规的疲劳故障。

在某些航空航天应用中，热性能至关重要。直升机传动系统的认证要求是，在发生润滑剂损失的事件后，它们能够在一定时间段内操作，以确保紧急情况下乘员的安全运送。然而，通常通过复制先前设计的设计特征，然后对原型单元进行缓慢且非常昂贵的测试来实现这种功能性。

动态性能在诸如客车等应用中也至关重要，其中内燃机使用的减少意味着齿轮噪声不再被发动机的噪声所掩盖。为了预测传动系统是否嘈杂，必须预测传动系统的动态属性，这可以涉及构造传动系统的质量和刚度以及边界条件的数学模型。然后可以通过传动系统激励来激励动力学模型，该激励可以包括传动误差、电磁扭矩波动和/或定子齿上的径向力。下面将参照等式4更详细地描述该动态模型，其中系统激励被包括在施加的力F中。如果未准确对传动系统进行建模(例如，未考虑热效应和相关联的挠曲)，则根据设计构建的传动系统可能无法满足与齿轮噪声相关联的性能目标。

一些专用CAE工具计算各种部件的动力损失，这可以提供关于热性能的有用信息。这些动力损失可以有利地被建模为传动系统的热量输入，如下面将讨论的。

图5示出了用于对传动系统进行建模的计算机实现的方法的示意图。该方法处理传动系统的参数描述500，并计算表示传动系统性能的性能度量532。本文描述了其他示例。如下面将要讨论的，图5的方法由于传动系统中的温度分布524而计算传动系统中的一个或多个部件的挠曲528，并且至少基于该挠曲来计算性能度量532。性能度量532的示例包括传动系统中的部件的不同部分之间的失调、效率、耐用性和传动误差。在一些示例中，性能度量532可以是所计算的挠曲的表示。

在一些示例中，该方法还可以计算由于传动系统中出现的力引起的结构挠曲。然后可以基于结构挠曲和热挠曲两者来计算性能度量532。

在步骤520，该方法根据参数描述500创建传动系统的热模型。该热模型可以是离散热模型或连续热模型。离散热模型可以包括集总参数热网络模型和啮合有限元热模型。

传动系统的离散集总参数热网络模型可以包含通过热熔体连接的热惯性或热容，其中热源提供热通量的输入。热熔体可以包括由于传导、对流和辐射引起的热传递。步骤520的处理可以从传动系及其部件的参数描述500确定这些热容和热导的属性及其连接。

在一些实施例中，该方法可以自动处理参数描述以标识传动系统中何处存在动力损失，以便构建热模型。例如，该方法可以确定传动系统中的一个或多个部件的动力损失(可选地用于特定的操作条件)，然后基于所确定的动力损失值确定是否应将部件建模为热源。例如，如果动力损失值大于动力损失阈值，则可以将部件建模为热源。可以将热源包括在模型中与确定具有关联动力损失的部件位置相对应的位置处。通过这种方式，该方法可以识别出热量将在传动系统中存在动力损失的位置处被生成。动力损失的位置可以包括接触表面(齿轮和轴承)之间存在摩擦的位置、流经布线的电流(例如，电机定子和电力电子设备)、密封件处的阻力损失或导致阻力损失(搅动或风阻)的流体移动。

在一些示例中，在步骤520构建的热模型是集总参数热网络模型。该方法可以通过几种不同的方式离散化这种模型，包括：

a)基于参数描述创建集总参数热网络，每个部件一个热节点。然而，该方法可能无法检查热模型是否适合所执行的热分析。与部件相关联的热节点之间的热通量可以取决于与周围部件相比部件的形状、大小、材料、热容量和温度。可能是每个部件具有一个热节点的模型被不合理地详细描述，从而导致分析时间的损失，或者模型的细节不够充分，这意味着结果可能不够准确。该模型可能可以在一个区域中包括过多的细节，而在其他区域中却缺少必要的保真度，从而导致计算速度缓慢且不准确。

b)上述a)中描述的集总参数热网络的每个部件一个节点的离散化的一种替代方案是手动离散化，其中用户指定每个部件所需的热节点数，或者将哪些部件一起集总为单个热节点。然后，方法在步骤520可以基于用户输入和参数描述500构建热模型。然而，针对这种手动离散化，工程师可能需要花费时间构建和完善模型，并检查以查看分析结果如何随离散化程度的变化而不同。工程师可以寻求确保模型适当准确而又不过分详细，但是该过程可能很耗时，并且最终可能由组织内最有资格的，因此最昂贵的工程师执行，从而对项目成本和定时产生不利影响。

c)有利地，分析公式可以被用来创建集总参数热网络，该网络针对分析的速度和准确性进行了优化。方法在步骤520可以执行模型的自动离散化，以便将热节点保留在模型中适合于准确描述传动系统的热行为的点上。如上面所讨论的，该方法可以包括集总参数热网络中的传动系统中的动力损失作为热源。该方法可以使用来自传动系统的参数描述的数据来计算每个部件的热导值和热容值。通过这些值，该方法可以确定部件的热导与热容的比率。该方法可以根据参数描述500中提供的信息(诸如，材料属性、部件的大小和形状)进行该确定。备选地，可以从参数描述500中直接获得热导与热容的比率。然后，该方法可以将热导与热容的比率与一个或多个热导与热容的比率阈值进行比较。该方法可以有利地将传动系统的一个或多个部件建模为热导或热节点，这取决于热导与热容的比率。例如，该方法可以用高于热导与热容的比率阈值的比率将传动系统部件建模为热导。该方法可以用低于热导与热容的比率阈值的比率来将传动系统部件建模为热节点。因此，集总参数热网络可以被自动构建和离散化，而无需来自用户的手动输入或建模决策。

例如，考虑将被安装在同一轴上的两个轴承分离的垫片。垫片是质量非常小的薄壁圆柱体。它的形状和位置意味着它在两个轴承之间传导热量。方法c)将采用基于热导与热容的比率自动确定将部件视为热质量还是热导的方法，并且因此将垫片分类为热导而不是热节点。这是适当的，因为热质量可忽略不计，但是轴承之间的导热效果非常显著，尤其是当它们的温差高时。方法a)将垫片分类为热节点，并且方法b)将需要工程师手动决定对部件进行建模的最适当的方法。

可以为整个传动系统计算集总参数热模型，传动系统包括变速箱和电动机，如果传动系统中存在这些部件。如果传动系统包括电力电子设备，则如上面所讨论的，这些也可以作为热源被包括在集总参数热模型中，并具有关联的热导。

通过在具有关联动力损失的部件处自动设置热输入，可以实现时间节省并避免误差。而且，如将在下面讨论的，可以在步骤520基于部件的操作条件自动确定热通量值。

传热可以通过不同的机制发生，包括传导、对流和辐射。传导是直接的，因为固体金属部件的热导率可以直接计算。例如，该方法可以基于对滚子轴承的静态分析以及由与负载相关的刚度生成的接触面积来计算通过轴承的传导传热。通常，与传导和对流相比，辐射的传热很小。然而，通过对流的传流可能更难确定。例如，齿轮啮合处的热量在油膜内生成，并且传递到齿轮金属的热量由齿轮和机油之间的对流传热系数(HTC)确定。这些HTC很难肯定地预测。处于静止空气中的热金属表面散发的热量要比经历其表面缓慢、层流的气流散失的速度要慢得多，甚至与快速的湍流气流相比，散发热量的速度要慢得多。

在步骤520中构建的热模型可以包括与传动系统相关联的HTC的值。这些HTC可能与内部传动系统部件和润滑剂之间、润滑剂与壳体之间和/或壳体与环境之间的传热相关。

HTC的值可以通过几种方法确定，包括：

i)该方法可以使用HTC的默认值。

ii)用户可以提供表示要使用的HTC值的输入，这可以涉及修改任何默认值。

iii)该方法可以自动计算HTC。该方法可以使用计算流体动力学(CFD)模型或使用简单的集总参数热网络模型(随后在本文档中描述)来计算对流HTC。

在步骤522，该方法基于在步骤520构建的热模型来计算热分布524。例如，在步骤522，该方法可以基于计算出的效率值来计算一个或多个部件的动力损失，以确定在该部件处生成的热量。该方法可以将该热量与热模型中的对应热源相关联。为了确定温度分布524，步骤522可以计算传动系统中的热通量。通过这种方式，温度分布可以包括与热模型中的每个模式相关联的温度值。在一些示例中，温度分布可以包括单个部件的多个温度值。

进入集总参数热网络的热通量发生在存在与任何部件相关联的动力损失的任何地方。这些热通量的值可以通过几种方式确定，包括：

i)这些热通量的值可以由用户定义，并且可以将这些与在步骤520构建的热模型组合以执行热分析522并计算传动系统中的温度分布524。

ii)该方法可以自动确定热通量的值。例如，当构建热模型时，该方法可能已经对传动系统中的一个或多个部件执行了已知的效率/动力损失计算，以确定效率/动力损失值。然后，当在步骤520构建热模型时，该方法可以基于效率/动力损失值以及参数描述500来确定关联的热通量的值。例如，步骤520可以处理来自参数描述500的操作条件，以确定传动系统中的各个部件处的能量。

该方法可以在步骤522使用集总参数热网络模型运行热分析，从而导致在离散的热节点处获得温度值。换言之，术语“集总”等同于术语“离散”。如果要计算整个结构的热曲线，则可以基于传动系统部件的热属性，基于传动系统的3D结构(从参数描述500中确定)执行进一步的热计算。因此，可以在传动系统中的所有机械部件上获得平稳的温度曲线。

步骤522中的处理可以包括下面等式1的应用，该等式1描述了如何在热网络模型中计算热通量：

Q′＝dT/R (等式1)

其中Q′是热通量(热Q相对于时间的导数)，dT是温差，并且R是热阻。

针对不同的部件和传热方法，可以以不同的方式计算热阻R。例如，针对部件和流体之间的对流传热，R由等式2a给出：

R＝1/hA (等式2a)

其中h是传热系数，并且A是接触表面积。针对固体部件中的传导，等式2b描述了如何计算热阻：

R＝L/kA (等式2b)

其中L为特征长度，k为热导率，并且A为表面积。参数k是材料属性，并且参数A和L是几何结构，所有参数都在传动系统的参数描述内定义。针对轴承中的传导，可以使用等式2c计算热阻：

R＝In(r₀/r₁)/2πbk (等式2c)

其中r₀和r₁是轴承的内半径和外半径，b是表面宽度，并且k是热导率。

该方法可以在步骤522使用等式1和2来计算热模型中的所有节点之间的热通量，从而计算传动系统内的温度分布522。

KTH工业工程和管理机械设计的CARLOS PRAKASH DEL VALLE在标题为“Thermalmodelling of an FZG test gearbox(FZG测试齿轮箱的热建模)”的论文(尤其是本文档的3.2节)中提供了如何设置和运行热网络的进一步细节。

在步骤520基于参数描述500构建热模型并在步骤522计算热分布的方法可以具有几个优点：

1)热模型可以涵盖整个传动系统，包括所有部件和子组件。相对于专用CAE工具而言，这是一个优势，CAE工具仅独立地考虑特定的部件或子组件。

2)如下面将讨论的，基于热模型计算出的温度分布可以通过包括热膨胀效应而被用于实现对传动系统挠曲的更准确的计算。准确的挠曲可以用于更准确地计算效率、耐用性和其他性能度量。相对于专用CAE工具而言，这是一个优势，其计算温度分布，但不使用它来改进挠曲的计算。

3)可以自动创建集总参数热网络模型，并针对速度和准确性进行优化，特别是如上面在方法c)中所描述的。

在步骤526，该方法基于参数描述500和温度分布524来确定由热分布524引起的传动系统的一个或多个部件的挠曲。在一些示例中，这可以被认为是将温度分布524应用于传动系统的结构模型。传动系统的这种结构模型可以在参数描述500中使用，或者可以从参数描述500中得出。在一些示例中，大多数传动系统部件可以在结构模型中建模为FE啮合部件。

在一些示例中，热模型(可以是啮合模型)和结构模型啮合可以是相同的。因此，在热节点和结构节点之间存在一对一的对应关系，并且温度分布524可以被直接应用于结构节点。可以通过节点位置或节点编号将温度分布524应用于结构模型。

在一些示例中，可以将结构模型和热模型提供为不相同的啮合。在这些示例中，步骤526可以涉及对热模型的节点之间的温度分布进行内插以便确定在结构模型的节点处的内插温度值。例如，这种内插可以用于将热模型和具有许多节点的FE结构模型组合，该热模型是仅具有几个节点的相对简单的集总模型，否则该FE结构模型可以被视为不兼容的。然后，步骤526可以基于内插温度值来计算结构模型的节点处的挠曲。

在步骤526，该方法可以为传动系统的结构模型中的每个节点计算挠曲。

该方法可以使用等式3计算由热膨胀引起的挠曲：

dX＝alpha＊X＊dT (等式3)

其中：

dX是挠曲，

alpha是无量纲的热膨胀系数(一种材料属性，可以被包括在参数描述500中)，

X是节点的原始位置(可以被包括在参数描述500中，或者通过构建传动系统的结构模型的方法从参数描述500中确定)。X可以作为向量来提供，该向量在结构模型中的三个维度上定义每个节点的位置和旋转。因此，可以在六个自由度中定义每个节点的位置，以及

dT是温度的变化，由在步骤522计算得出的温度分布524确定。dT可以是节点温度与所定义的温度(通常为25℃)之间的差，使得如果T>25℃，则材料会膨胀，并且如果T<25℃，则会收缩。

可选地，在步骤526，该方法可以计算由传动系统中发生的力引起的挠曲。可以认为这种挠曲是由结构力引起的。在一些示例中，可以通过i)静态分析或ii)传动系统的动态分析来计算挠曲。传动系统可以视为完整传动系统中的所有节点。下面更详细地描述了这些方法。

i)静态分析解决了传动系统的所有部件上的作用力以计算挠曲，同时考虑到一些部件的刚度可能与负载相关。因此，该方法需要迭代力、挠曲和刚度，直到达到收敛为止。该方法假定力和位移不是随时间变化的，而是按照作为参数描述500的一部分提供的操作条件中指定的恒定速度旋转。

ii)与静态分析相比，动态分析允许挠曲和作用力随时间变化。这允许时变激励被包括在分析中。时变激励可以包括传动误差、发动机扭矩波动、电机扭矩波动和电机径向力。在动态分析中，可以通过解决传动系统的运动公式来确定挠曲，如等式4中的矩阵公式所表示的：

MX”+CX’+KX＝F (等式4)

其中：

M是传动系统质量矩阵(可以被包括在参数描述500中或从其得出)，

C是传动系统阻尼矩阵(可以被包括在参数描述500中或从其得出)，

K是传动系统刚度矩阵(可以被包括在参数描述500中或从其得出)，

F是作用力(可以被包括在参数说明500中，或者从其得出，例如从参数描述500中存储的“操作条件”中得出)，以及

向量X以六个自由度定义结构模型中的每个节点的位置和旋转，其方式与上述等式3相同。符号X'表示X相对于时间的导数。

如上所述，可以静态或动态地求解结构模型。这两种方法针对传动系统结构模型中的每个节点计算六个自由度的挠曲。

该方法可以求解X的矩阵等式，以确定结构模型中的节点的新位置和旋转。挠曲可以视为节点的新位置/旋转值与起始位置/旋转值之间的差。

在步骤526计算由于热效应和结构效应而导致的节点挠曲的示例中，该方法可以将这些挠曲组合成总挠曲值。例如，该方法可以简单地将各个挠曲值求和在一起。

针对作为轴承的传动系统部件，该方法可以使用将温度分布应用于结构模型的备选方法来计算挠曲528。结构模型可以包括与内部滚道、外部滚道、旋转元件和连接部件中的一个或多个相对应的节点。在步骤526，该方法可以应用温度分布524来确定结构模型的这些节点处的温度值。然后，该方法可以确定这些节点处的热膨胀，并确定该膨胀如何更改轴承的操作间隙。因此，操作间隙可以与径向内部间隙不同，该径向内部间隙是轴承制造商的标准值。操作间隙是挠曲528的表示的示例，其可以用于确定更准确的性能度量532。

在步骤530中，该方法基于所确定的一个或多个部件的挠曲528计算传动系统的性能度量532。作为非限制性示例，性能度量可以是传动系统中的两个部件之间的失调。该方法可以通过增加或减去两个部件或传动系统的结构模型中的节点的挠曲值528来计算失准，以便计算节点/部件的相对位置的变化。其他性能度量将在下面描述。

该方法可以有利地考虑由热效应引起的部件的挠曲，使得可以计算出更准确的性能度量530。因此，可以更准确地对传动系统进行建模。

图6示出了用于对传动系统进行建模并且可选地设计传动系统的另一计算机实现的方法的示意图。具有图5中的对应特征的图6的特征将在600系列中给出参考数字，并且在此不必再次描述。

在该示例中，该方法包括基于参数描述600构建结构模型的步骤634。在步骤626，该方法然后将计算出的温度分布624应用于结构模型以确定由热效应引起的挠曲，如上面所讨论的。在该示例中，在步骤626，该方法还计算由传动系统内的力引起的结构挠曲。上面还提供了如何计算这种结构挠曲的示例。因此，在步骤626计算的挠曲628是热挠曲和结构挠曲的组合。

而且，图6示出了两个可选的迭代循环636、638，它们可以彼此独立地或一起设置。第一迭代循环636将所确定的挠曲628应用于在步骤622处理的信息，使得可以为传动系统中的挠曲部件计算温度分布624。第二迭代循环638可以基于计算出的性能度量632来修改参数描述600，从而重新设计传动系统。

关于第一迭代循环636，在第一次执行步骤622之后(用于温度分布624的初始计算)，针对每个后续迭代，方法步骤622可以基于热模型以及计算得到的挠曲628重新计算传动系统的一个或多个部件的温度分布624。在该示例中，计算得到的挠曲628是由于结构效应和热效应引起的，尽管在其他示例中，计算得到的挠曲628可能是由于热效应而不一定是结构效应。然后，该方法针对重新计算的温度分布重复步骤626和630。

在一些示例中，该方法可以包括确定是否绕过第一迭代循环636的功能性。该功能性在图6中被示出为步骤640。在步骤640，该方法可以比较温度分布624和/或具有一个或多个循环结束条件的挠曲628。如果一个或多个循环结束条件未被满足，则该方法返回到步骤622，以基于热模型以及所确定的挠曲628来重新计算传动系统的一个或多个部件的温度分布624。如果一个或多个循环结束条件被满足，则该方法可以前进到步骤630以计算性能度量632。

在一些示例中，可以不同地实现图6中所示的第一迭代循环636，使得如果一个或多个循环结束条件未被满足，则该方法返回到步骤620以基于参数描述600以及所确定的挠曲628重建热模型。

关于第二迭代循环638，该方法可以可选地包括步骤644，其基于传动系统的性能度量632来更新参数描述600。在参数描述600已经被更新之后，该方法可以针对更新的参数描述重复步骤620、622、634、626和630。

在该示例中，该方法可以包括确定是否绕过第二迭代循环638的功能性。该功能性在图6中示出为步骤642。在步骤642，该方法可以将性能度量632与一个或多个循环结束条件进行比较。如果一个或多个循环结束条件未被满足，则该方法前进到步骤644以更新参数描述600，然后重复图6的方法。如果一个或多个循环结束条件被满足，则该方法结束。

可以如何应用循环结束条件的非限制性示例包括：

确定要与循环结束条件进行比较的值的收敛速率，并将收敛速率与指示该值已被充分确定的阈值进行比较。如果阈值被满足，则确定循环结束条件已经被满足。通过这种方式，可以重复循环，直到值在用户指定的公差范围内不变。

确定围绕循环已经执行的迭代次数，并将该次数与最大迭代次数进行比较。如果已达到最大数量，则确定循环结束条件已被满足。

将要与循环结束条件进行比较的值与表示可接受性能的阈值进行比较，并且如果该阈值被满足，则确定循环结束条件已被满足。

确定循环的当前迭代的性能度量与在循环的先前迭代中计算的同一性能度量的值之间的差异，并将该差异与表示可接受收敛的阈值进行比较。如果连续循环上的性能度量值之间的差小于阈值，则确定循环结束条件已被满足。该“差异”可以是绝对差异或相对差异(例如，以百分比表示)。通过这种方式，当值在例如前一次迭代的值的1％以内时，迭代循环可以停止迭代。

因此，图6的示例包括从参数描述600中得出的传动系统的结构模型，该模型可以用于计算负载、挠曲、应变、失调以及因此得出的应力的目的。这可以通过将结构模型离散化为多个节点并基于所施加的结构负载(诸如，齿轮力)以六个自由度计算其位移来实现。有益地，由于热膨胀，结构模型中的这些相同节点也经受附加的位移，这是基于温度曲线/分布624从热分析计算出的。挠曲、应变和失调的所有值都可能发生变化。这些变化可能会影响传动系统中的关键部件的性能，因此有利地可以由计算出的性能度量632准确地表示。

图7示出了用于对传动系统进行建模的另一计算机实现的方法的示意图。在先前附图中具有对应特征的图7的特征将在700系列中给出参考数字，并且在此不必再次描述。如同本文公开的所有示例一样，图7的功能性可以与本文描述的任何其他功能性组合，包括图6的一个或两个迭代循环。

在图7中，该方法接收要对传动系统执行的一种或多种分析类型的指示746，然后根据要被执行的分析类型来计算传动系统的性能度量732。

将被执行的分析类型可能与以下相关：传动系统效率、传动系统中的一个或多个部件的效率、传动系统的寿命、传动系统中的一个或多个部件的寿命、由于疲劳或胶合而导致齿轮故障的可能性、由于疲劳、齿轮磨损或任何其他类型的热分析或结构分析而导致的轴承故障的可能性。

该方法可以从用户接收对传动系统执行的一种或多种分析类型的指示746，或者可以从计算机存储器中取回该指示。例如，用户可以提供指定要被执行的分析类型的输入。备选地，该方法可以在预定时间或以预定序列自动处理一种或多种分析类型。在图7中，指示746表示用户指定的分析类型。

在步骤748，该方法可以针对已经被指定的分析类型构建传动系统的数学模型。该方法可以在参数描述700中标识指定分析类型所需的数据，然后使用该标识的数据来构建适合于分析类型的数学模型。在一些示例中，这可以包括处理由参数描述700提供的信息的子集。可选地，在步骤734构建结构模型和/或在步骤720构建热模型可以涉及处理根据参数描述700所提供的信息子集，其可以不同于在步骤748被处理的子集。该方法可以基于要被执行的分析/处理从参数描述700中自动选择数据。例如，每个分析/过程可以具有来自参数描述700的所需的特征/数据类型的关联列表。

在步骤750，该方法可以基于在步骤748构建的数学模型并且还可选地基于计算出的挠曲728来运行适合于特定类型分析的分析。如上文，计算出的挠曲728可能是由于热效应以及可选的结构效应。一些类型的分析(诸如，重量、包装和成本)可能不需要处理在步骤726计算出的挠曲值728。

然后，在步骤730，该方法基于在步骤750的分析结果来计算性能度量732。因此，在该示例中，该方法可以被认为是基于参数描述700并且可选地基于所确定的一个或多个部件的偏差728(来自步骤726)间接地计算性能度量732。

在性能度量732与耐用性相关的示例中，计算方法(例如，ISO标准)可以包括失调的量度作为输入参数。有利地，图7的步骤750可以使用计算出的挠曲728来确定用于失调的准确值。

在性能度量732与效率相关的示例中，步骤750的处理可以考虑挠曲728的准确值，其将影响接触表面的位置以及由于摩擦而产生热量的接触应力。

在性能度量732与传动误差相关的示例中，可以直接通过接触齿轮齿的位置和旋转来计算值。

本文公开的一个或多个示例可以考虑到，更改的失调值可以改变齿轮接触和弯曲应力，因此可以修改齿轮的预测疲劳寿命。更改的失调值可以改变每个齿轮对的负载齿接触分析，从而导致预测的齿轮啮合阻力和传动误差的变化。

传动系统结构内的挠曲可以用于计算行星齿轮组中行星齿轮之间的负载分担，理想情况下，该负载分担是相等的，但由于系统挠曲和制造误差，实际上并非如此。再次，结构模型中更改的位移值会导致行星负载分担的修改计算。

轴承疲劳可以通过对传动系统性能进行分析计算得出的负载和挠曲而被确定。由于温度曲线而导致的更改的位移和失调值可能会修改轴承的寿命。

附加地，在结构分析726是动态分析的示例中，传动系统的负载和位移用于计算齿轮啮合刚度和轴承刚度，这两者均与负载相关，因此也受到从热模型计算得出的温度曲线的影响。这很重要，因为这些刚度值被用于创建整个传动系统的动态模型。传动系统受到诸如传动误差、扭矩波动或电机径向力之类的激励，并且需要刚度来计算由于这些激励而引起的表面振动和/或辐射噪声。这些激励可以被包括在等式4的作用力F中，并且与负载相关的刚度可以被包括在刚度矩阵K中。所有这些影响都可以被无缝处理。

电机转子也受到挠曲和失调的影响。由于部件的热膨胀，这些挠曲和失调值可以被更改。例如，转子的失调会影响气隙的宽度，这会影响电机的效率。本文描述的一种或多种温度分布也可能会影响电机的损失。有利地，本文描述的处理(其中热模型导致温度分布，并且该温度分布影响传动系统的挠曲和失调)也可以被应用于电机。

针对可以由图7执行的一个或多个分析，包括使用温度分布724的效果的影响是提高性能度量732的准确性。因此，可以向设计工程师提供更准确的信息，从而允许更加肯定地优化传动系统的设计，并避免潜在的故障。传动系统可以更安静、更高效，并且可以减少由于疲劳或胶合而导致的灾难性和可能威胁生命的传动系统故障的风险。

所有这些都可以通过CAE工具来实现，该工具允许非专家在适合实际设计项目的时间尺度内执行这项工作，并有助于多目标设计优化。

图8a和图8b示出了用于对传动系统进行建模的另一计算机实现的方法的示意图，该方法类似于图7。在先前附图中具有对应特征的图8a和图8b的特征将在800系列中给出参考数字，并且在此不必再次描述。

在图8a和图8b中，性能度量是效率度量832，并且在步骤850被执行的分析类型是效率分析。在该示例中，该方法没有接收到要被执行的分析类型的指示。例如，图8a和图8b的方法可以被认为是被硬编码以执行效率分析的方法(其可以被认为是从计算机存储器接收要对传动系统执行的分析类型的指示)。

针对该示例，在步骤850进行的效率分析还使用了在步骤822计算出的温度分布824作为输入。这是因为温度分布可能会直接影响效率(例如，通过改变润滑剂粘度)，并且由于挠曲828引起的效应。

要了解的是，除了效率分析之外或代替效率分析，可以在步骤850执行任何类型的性能分析，并且步骤850可以处理从该方法的其他地方可获得的任何所需信息。

而且，在该示例中，作为确定效率模型的一部分，在步骤850的效率分析可以确定动力损失曲线。有利地，在步骤850计算出的动力损失可以被作为步骤850的输入来提供，以便构建改进的热模型。这可以被认为是另一可选的迭代循环852，其在图8b中被突出显示。

在该示例中，在步骤854，该方法可以将计算出的动力损失(或任何其他计算出的特性)与本文描述的任何环路结束条件中的一个或多个进行比较。如果一个或多个循环结束条件未被满足，则该方法返回到步骤820以基于计算出的动力损失(或任何其他计算出的特性)来重建热模型。然后，该方法重复步骤822、826、850和854。如果一个或多个循环结束条件被满足，则该方法前进以计算效率度量832。

汽车行业使用标准驱动循环来测量车辆的燃油经济性和排放。针对本文描述的处理，每个驱动循环可以从传动系统内的给定外部温度和环境热分布开始(其可能是，但不一定是均匀的)。该均匀分布可以用于失调的计算，从而计算t＝0时的动力损失。随着驱动循环的开始，该方法将随着热量输入的变化计算出部件内的温度分布，从而导致失调的变化(可以从计算出的挠曲确定)。温度分布的变化可能取决于初始条件、模拟输入以及由于整个驱动循环内温度分布而引起的齿轮啮合摩擦学、散热和系统挠曲的相互作用。

即使在稳态下，热影响的包含也可能会导致热模型、结构模型和动力损失模型之间形成感兴趣的影响圈。齿轮啮合的初始动力损失值只可以包括计算出的失调值，而不受温度曲线/分布的影响。随着传动系统结构内的不均匀温度改变了失调，齿轮啮合处的动力损失改变，修改了稳态温度分布。本文描述的示例可以包括对这些值进行迭代直到实现收敛的步骤。

这种迭代步骤(包括图8b中所指示的迭代循环)可以在车辆能量/燃料消耗的计算中具有特定的好处，从而在由内燃机供能的常规或混合动力车辆中排放。在整个驱动循环中，传动系统温度的变化可以改变机油的粘度，这可以改变传动系统效率的许多关键部件，包括齿轮啮合动力损失和齿轮搅动。众所周知，客车传动系统的效率在启动时相对较差，并且随着传动系统的加热而提高。本文描述的示例的工程效果是，可以按照当前不能被实现的方式预测传动系统的变化的温度和效率，从而降低设计和开发过程中的风险，并最终实现更有效率的车辆。

针对本文描述的包括迭代步骤的示例：初始部件动力损失值可以仅包括所计算的失调值，而不受温度曲线/分布的影响；但是，随着传动系统结构内的不均匀温度改变了失调，部件的动力损失值可能会发生变化，从而修改了稳态温度分布。迭代可以继续(围绕图8b中标识的循环)，直到针对稳态或瞬态条件获得针对系统挠曲、部件动力损失和温度中的一个或多个的收敛解。

图9示出了用于建模或设计传动系统的计算机实现的方法的示意图的又一示例。在先前附图中具有对应特征的图9的特征将在900系列中给出参考数字，并且在此不必再次描述。

图9示出了一种热建模方法，其是简单的集总参数热网络模型(在步骤956中构建)和详细的啮合热模型(在步骤920中构建)的组合。将简单且详细的热模型组合起来并不明显，因为人们认为简单的集总参数热网络模型将无法提供足够的准确性来协助进行详细的分析。仅使用详细的啮合模型进行热分析的缺点是模拟需要计算能力，并且运行时间很长。然而，简单且详细的热模型的组合加快了模拟时间，同时保持所需的结果准确性。

如将在下面更详细地讨论的，图9的方法在步骤956中构建简单的集总参数热网络模型，该模型用于计算流体温度960。流体可以包括冷却剂、润滑剂、传动系统内的空气以及传动系统外的空气。流体温度960是简单的集总参数热网络模型的输出，并用于计算对流HTC，而对流HTC又用作啮合热模型的输入。有利地，该方法还可以使用流体温度来计算传动系统所需的泵流速率。

在步骤956，该方法基于参数描述900构建简单的集总参数热模型。该热模型可以被认为是集总参数热模型(也可以称为第一热模型)。然后，在步骤958，该方法在简单的集总参数热模型上运行热分析，以便计算一个或多个流体温度960，诸如上面标识的那些。

在步骤934，该方法基于参数描述900构建传动系统的结构模型。然后，在步骤962，该方法对在步骤934构建的结构模型进行啮合，以便确定结构啮合964。

在步骤920，该方法基于结构啮合964构建啮合热模型。该热模型可以被认为是啮合热模型(也可以称为第二热模型)。啮合热模型可以比在步骤956构建的集总参数热模型具有更高的分辨率(例如，其可以被更精细地离散化)，并且可选地具有与结构模型相同的啮合。

在步骤922，该方法基于以下内容计算温度分布924：(i)结构啮合模型964；以及(ii)流体温度960。

例如，步骤922可以使用流体温度960来计算对流HTC。HTC的计算可能很复杂，并且取决于多种因素，包括流速和表面粗糙度。可以基于努赛尔(Nusselt)数(Nu)的定义来估计HTC的值，该Nu是表示跨(垂直于)边界的对流与热传导的比率的无量纲数。例如，针对板块上的自然对流，Nusselt数等式为：

Nu＝hL/k＝C Raⁿ (等式5)

其中h是HTC，L是特征长度，k是热导率，Ra是瑞利(Rayleigh)数，并且C和n是取决于几何结构和流量的常数。

参数L(几何参数)和k(材料属性)可以在传动系统的参数描述900中被定义，因此步骤922也可以(直接或间接地)基于参数描述900执行其处理。Rayleigh数Ra是描述传热行为的无量纲数：当Rayleigh数在给定流体的临界值以下时，传热主要是传导形式；当它超过临界值时，传热主要是对流形式。Rayleigh数取决于流体属性和流体温度。有一些标准教科书的结果定义了给定的几何结构和条件下的C和n的值，例如，等温垂直板、等温水平板。因此，当已知几何结构和流体属性以及流体温度时，该方法可以计算对流传热系数的值。

针对不同的几何结构和操作条件，计算h的方法类似。等式5的右侧可能会取决于几何结构和操作条件而有所不同，但仍涉及常数和流体属性。

尽管使用Nusselt数来计算HTC是已知的，但有利的是，图9的方法使用在简单模型中计算出的流体温度来进行此操作(在步骤956)，然后将所得的HTC应用于详细模型(在步骤922)。与使用CFD模型的标准方法相比，上述计算对流HTC的方法具有优势。上述方法的优点是模拟时间较快并且不需要大量的计算能力。

对流HTC、热导和来自功率源的热通量都是详细的啮合热模型的输入。

步骤920可以构建详细的啮合热模型，使得它使用与在步骤962中啮合的结构模型相同的啮合964。因此，详细的啮合热模型中的每个热节点在结构模型962中具有完全相同位置的对应的结构节点。步骤922的输出是温度分布924，其可以将热模型中的每个热节点与温度值相关联。

在步骤926，该方法基于以下内容运行结构分析以便计算挠曲928：(i)结构啮合964；以及(ii)温度分布924。有利地，在步骤926，通过热模型计算出的温度分布924可以方便且有效地与结构啮合964一起使用，因为啮合是相同的。即，可以容易地从表示啮合热模型中的对应热节点的温度分布924中获取结构啮合964中每个结构节点的温度。

作为使用简单的集总参数热网络模型来计算流体温度960的替代方案，在一些示例中，该方法可以接收流体温度960作为直接测量，例如，作为来自传感器的输入。即，在一些示例中不需要步骤956和958。仅当传动系统设计足够先进以至于有原型需要测试时，这才有可能。

如由循环936示意性地表示的，参照图6描述的第一迭代循环可以可选地被应用于该示例。附加地或者备选地，参照图6描述的第二迭代循环可以被应用于该示例，如通过循环938示意性地表示的。

图10示出了用于对传动系统进行建模的另一计算机实现的方法的示意图。在先前附图中具有对应特征的图10的特征将在1000系列中给出参考数字，并且在此不必再次描述。

与上述方法中的至少一些方法相比，图10的处理不一定要计算挠曲。在该示例中，参数描述1000涉及传动系统，该传动系统包括多个部件，其包括变速箱。从上面对参数描述和传动系统的描述中将了解，参数描述1000可以涉及传动系统，该传动系统还包括其他部件，其包括电机。

图10的方法处理：(i)参数描述1000，以及(ii)要对传动系执行的一种或多种分析类型的指示1046。以与上述相同的方式，该方法可以从用户接收要对传动系统执行的一种或多种分析类型的指示1046，或者可以从计算机存储器中取回该指示。类似地，该方法可以从用户接收参数描述1000或可以从计算机存储器中取回它。

在该示例中，要被执行的分析类型不一定需要计算由热效应引起的传动系统的结构模型中的节点的挠曲。有利地，将要被执行的分析类型是可以通过考虑传动系统的温度分布1024来更精确地执行的一种分析，如从以下讨论中将了解的。

在步骤1048，该方法可以针对已经被指定的分析类型构建传动系统的模型。以与上面参照图7描述的相同方式，该方法可以从参数描述1000中自动选择指定的分析类型所需的数据，然后使用该所选数据构建数学模型。该模型可以是适合于要被执行的分析类型的任何类型。

独立地，在步骤1020，该方法从参数描述1000创建传动系统的至少变速箱的热模型。然后，在步骤1022，该方法运行热分析并使用热模型计算至少变速箱的温度分布1024。可以根据本文描述的任何示例来执行这些步骤。

在步骤1026，该方法基于计算的温度分布1024和参数描述1000，运行分析以根据要执行的分析1046的类型来计算传动系统的性能度量1032。在该示例中，步骤1026中的分析可以被认为是间接处理参数描述1000；即，它处理在步骤1048中构建的模型，其中基于参数描述1000构建模型。

有利地，图10的方法可以使得热处理能够与另一类型的分析组合，包括与涉及不同类型的物理学的另一类型的分析，如所接收到的要被执行的一种或多种类型的分析的指示1046所定义的。针对包括变速箱和电机的传动系统，处理这种类型的分析组合可能特别困难。变速箱设计者和电机设计者通常属于不同的部门甚至是不同的公司，因此，本领域存在一种偏见，这将阻止这两个学科的技术人员在包含电动机和变速箱的传动系统上甚至考虑分析类型的这种组合。即使技术人员跨不同的学科一起工作，也缺少可以在合理的模拟时间内同时考虑所有相关影响和相互作用的情况下，在多个物理领域中对整个传动系统执行模拟的CAE工具。上面关于组合不同类型的模型所描述的问题可以通过图10的方法解决。

图11示出了用于对传动系统进行建模并且可选地设计传动系统的另一计算机实现的方法的示意图。图11类似于图10，并且包括三个可选的迭代循环1136a、1136b、1138的附加功能性。这些循环可以被彼此独立地或一起提供。

第一迭代循环1136a涉及在第一次执行步骤1126之后(在步骤1140中)处理运行分析块1126的输出(用于性能度量1132的初始计算)。

步骤1140中的处理可以按照与上述关于其他迭代循环描述的方式类似的方式将与传动系统相关联的循环性能度量(其可以与作为输出提供的性能度量1132相同或不同)与一个或多个循环结束条件进行比较。如果一个或多个循环结束条件未被满足，则该方法返回到步骤1120以基于循环性能度量和参数描述1100来重建热模型。如果一个或多个循环性能度量被满足，则该方法可以前进到步骤1142，以确定是否围绕第三迭代循环1138进行循环。

在步骤1140中处理的用以确定是否围绕第一循环进行迭代的循环性能度量可以是与所选分析类型相关联的性能度量1132(与接收到的指示1146一致)，或者可以是任何其他性能度量，诸如，中间性能度量。例如，如果要被执行的分析类型是效率分析，则作为该方法的输出而提供的性能度量1132可以是效率度量。然而，可以在步骤1140中处理不同的性能度量，因为循环性能度量用以确定是否循环。例如，循环性能度量可以包括中间性能度量，诸如，可以被确定为效率计算的一部分的动力损失。上面参照图8a和图8b描述了类似的功能性。

针对每个后续迭代，该方法然后可以针对重建的热模型重复步骤1122、1126和1140。

第二迭代循环1136b类似于第一迭代循环1136a，并且可以涉及在步骤1140中与上面针对第一迭代循环1136a所描述的相同处理。

与第一迭代循环1136a相反，如果第二迭代循环1136b不满足一个或多个循环结束条件，则该方法返回到步骤1122，以基于循环性能度量和热模型重新计算温度分布1124。如果一个或多个循环结束条件被满足，则该方法可以前进到步骤1142，以确定是否围绕第三迭代循环1138进行循环。针对每个后续迭代，该方法可以针对重新计算的温度分布1124重复步骤1126和1140。

关于第三迭代循环1138，该方法可以可选地包括步骤1144，该步骤1144基于传动系统的性能度量1132(或更一般地，上面参照第一和第二迭代循环描述的任何循环性能度量)来更新参数描述1100。在参数描述1100已经被更新之后，该方法可以针对更新的参数描述1100重复步骤1148、1120、1122、1126、1140和1142。

在该示例中，该方法包括确定是否绕过第三迭代循环1138的功能性。该功能性在图1中示出为步骤1142。在步骤1142中，该方法可以将性能度量1132(或另一循环性能度量)与一个或多个循环结束条件进行比较。如果一个或多个循环结束条件未被满足，则该方法前进到步骤1144以更新参数描述1100，然后重复图11的方法。如果一个或多个循环结束条件被满足，则该方法结束。

围绕第三迭代循环1138进行的更新参数描述1100的过程可以被认为是设计传动系统。

要了解，参照先前附图描述的任何其他功能性可以与图10和图11的方法组合。

通常，在附图所图示的方法中，封闭框中的文本表示处理步骤，而不在封闭框中的单词表示数据(诸如，输入或结果)。而且，各种虚线箭头和线可以被认为是可选的。

本文描述的示例的效果是可以显著提高工程生产率，并且可能的是可以由不是热建模和模拟专家的工程师来执行该建模/设计工作。传动系统内的任何设计改变都可以自动导致热模拟结果发生变化，从而使得有信心在每种机会下都能呈现正确的结果。

在通过动态分析解决结构模型的示例中，进一步的开发可以改进传动系统的动态分析以及对振动和辐射噪声的后续预测。本文描述的示例可以包括驱动轴的参数定义模型，该驱动轴包括等速万向节，该万向节的刚度随施加的负载(扭矩)和铰接角而变化。在执行该计算并将其包括在整个系统动态模型中时，可以更准确地预测传动系统的动态行为。

通过计算齿接触分析并使用局部摩擦学模型来预测由于齿轮啮合引起的温度升高，本文描述的示例可以用于预测齿轮胶合。该预测可以通过两种方式受到计算得到的热行为的影响：首先，变化的失调值可以改变齿接触分析，从而改变啮合中的预测温度升高；其次，在机油进入啮合之前，可以使用热分析来指示传动系统内的整个机油的温度。

本文描述的示例可以执行与稳态或瞬态条件相关的处理。稳态条件下的结果可能更易于质问和验证，尽管它们不能真正表示实际操作。

瞬态分析表明条件不是恒定的，但是动力损失、热模拟和系统挠曲之间的相同相互作用可以是相关的。瞬态现象可以主要是由于操作条件的变化而发生，诸如驱动速度或扭矩。这可以被用来表示现实操作条件。汽车行业使用准标准的最坏情况，诸如“死亡谷循环”，其中定义了死亡谷在速度、扭矩和外部热量方面的驱动条件，并将其用作时间步长模拟的输入。

可以使用标称值的部件尺寸来运行一个或多个先前的模拟。另外，可以将制造公差分配给关键参数，使得可以评估传动系统性能的变化。例如，由于齿轮制造过程中的变化而引起的齿轮微观几何结构的变化可能会影响负载的齿接触分析，从而影响与因热变形而引起的失调变化的相互作用。在一些示例中，当考虑到制造公差和由于温度变化而引起的变化时，通过确保部件的耐用性仍然可接受，可以提高安全性。

实施本发明的一个示例

本发明是一种软件封装，其允许工程师通过模拟来理解机械或机电传动系统内的变速箱、电动机和电力电子设备的3个子系统中的任何一个或全部子系统的设计，以便可以预测、理解传动系统性能，并通过修改设计加以改进。本发明集中于热性能的主题及其如何与诸如挠曲、应力、疲劳、效率、噪声、振动、磨损等物理行为的其他方面相互作用。

本发明集中于热性能的主题以及它如何与物理行为的其他方面相互作用，诸如，挠曲、应力、疲劳、效率、噪声、振动、磨损等。其功能性为设计工程师提供了关于热行为及其如何影响传动系统性能的其他方面的见解，使得可以优化设计并确认其适合于先前不可能的生产率的目的。将新产品推向市场节省了时间和金钱，也解决了现有产品中的问题。最重要的是，存在进一步保护人类生命的潜力。

用于实施本发明的模式的详细描述

原则上，变速箱的所有关键工程参数都在单个模型中定义，包括形状、功能、负载情况和材料属性。这些在参数模型中被定义，其允许快速重新定义设计，从而允许根据多种物理模拟的结果进行快速的设计-分析-重新设计的迭代。

本发明的关键特征在于，存在系统的单个参数描述，从该参数描述得出用于多个故障模式分析的多个模型。

术语参数描述是应用于数据集合的标签，该数据定义了产品的形状、功能、属性和操作条件。形状包括与几何结构相关的数据；属性包括部件的材料属性以及部件的特定属性，诸如，轴承的动态容量、齿轮齿面的表面粗糙度、润滑剂的粘度、轴材料的Goodman图、电动机绕组的电阻率等；操作条件主要包括旋转机械的动力、速度、扭矩，既作为时间历史或者居住直方图，也包括温度、湿度等；功能定义了产品、子系统和部件执行其主要功能的方式，例如，滚子轴承的功能是为轴提供支撑，同时允许其旋转，将轴和轴承组装在一起，并且组合功能是提供可以施加负载的旋转轴，将齿轮安装在轴上，并使其与类似安装的齿轮啮合，并且组合功能是改变速度和扭矩(即，变速箱)。

表1特定于分析的数据选择和参数描述

表1的第一行示出了由四个数据集(功能302、形状304、属性306和操作条件308)形成的参数描述300的表示。表3示出了由四个非重叠的数据集(功能302、形状304、属性306和操作条件308)形成的参数描述300的又一表示。取决于使用哪种分析封装310、312、314，工程师必须从四个数据集中的一个或多个中选择数据，以创建适合执行分析的分析模型。

在传统的软件封装中，CAD提供了形状(几何结构)和一些方面的属性(材料密度但不是杨氏模量)，但是不包括操作条件或功能。多体动力学和有限元软件封装中的模型包括形状、功能、属性和操作条件的某些方面，但仅与正在被模拟的特定故障模式相关的那些条件(参见图1)。多域动态模拟中的模型还使用与正在被模拟的特定故障模式相关的功能、属性和操作条件等方面(参见图1)，但没有形状。专用车辆模拟封装(例如，AVL Cruise)中的模型与多域动态模拟封装中的模型类似，因为它们具有与正在被模拟的特定故障模式相关的功能、属性和操作条件等方面(参见图1)，但没有形状。

这在图3中进行了图示，其中用于分析的相关数据集310由三角形集合重叠部分的形状集304、属性集306和操作条件集306表示，并且其在该示例中提供了用于多体动力学或有限元封装的数据。类似地，用于分析的相关数据集312由功能集302、属性集306和操作条件集308的三角形集合重叠部分表示，并且在该示例中，其提供了用于多域动态模拟或专用车辆性能封装的数据。同样地，用于分析的相关数据314由形状集304和属性集306的三角形集合重叠部分表示，并且其为CAD提供数据。

在传统的软件封装中，缺少所有四种类型的数据会导致设计过程内工作流程的不连续性。图3图示了本发明如何消除这种不连续性。

运行多个模拟以确定传动系统的性能或不同故障模式的可能性。这些模拟中的每一个的结果均来自传动系统的操作性能的数学模型，其中每种物理现象需要不同的算法，并且所有算法在单个封装内可用，从而最大化工程生产率。

除了用于应力、疲劳、胶合、TE、行星负载分担和效率的模型和对应模拟之外，本发明还创建了变速箱的离散的集总参数热网络模型，其由通过热导连接在一起的热惯性组成。这些惯性和热导根据参数描述以轴、轴承、齿轮、壳体以及适当时包括离合器、制动器和同步器的其他部件的形式体现出它们的连接和属性。该模型还包括齿轮与机油、轴与机油、机油与壳体以及壳体与环境的传热系数值，这些值是基于默认值被插入的，尽管用户能够在自己的判定下修改这些。通过轴承的传热分配有默认值。然而，可以选择这些值是基于对滚子轴承的静态分析以及由负载相关的刚度生成的接触面积来计算的。

进入热模型的热通量发生在齿轮和轴承处，并且本发明自动识别出热量将在模型中的这些位置处生成。这些热通量的值可以由用户定义，或者可以通过计算齿轮啮合动力损失和轴承阻力、轴承阻力和指示旋转动力损失的动力损失来自动设置，该旋转动力损失对应于热量的生成。多个齿轮啮合动力损失的方法可用，包括ISO 14179、Anderson、FVA345和弹性流体动力润滑。这些又受齿轮啮合的负载齿接触的影响，齿轮啮合具有关键的输入参数，即，操作啮合失调。

可以从一系列轴承损失模型中进行选择，包括但不限于ISO 14179、Palmgren和SKF 2004。

因此，使用户摆脱了手动创建集总参数热模型的耗时工作，并且在可重复且无误差的过程中创建了模型。通过自动设置齿轮和轴承处的热输入以及基于部件的操作条件的热通量值的定义，可以进一步节省时间并避免误差。

效果是大大提高了工程生产率，并且可能由不是热建模和模拟的专家的工程师来执行这项工作。变速箱内的任何设计改变都会自动导致热模拟结果发生变化，从而使得有信心在每种机会下都能呈现正确的结果。

可以使用集总参数模型运行热分析，从而获得离散热节点处的温度值。为了计算整个结构的热曲线，需要在3D结构中基于轴、轴承、齿轮和壳体的热属性执行进一步的热计算。因此，在变速箱中的所有机械部件上获得平稳的温度曲线。

该封装包括变速箱的结构模型，用于计算负载、挠曲、应变、失调以及由此产生的应力。这是通过将结构离散化为多个节点并基于所施加的结构负载(诸如，齿轮力)以6个自由度计算其位移来实现的。本发明的创新之处在于，这些相同的节点还由于热膨胀而经受附加的位移，这是基于来自热分析的温度曲线计算得出的。挠曲、应变和失调的所有值都会发生变化。

这些变化对变速箱中的关键部件性能的模拟产生影响。更改的失调值会改变齿轮的接触和弯曲应力，因此会修改齿轮的预测疲劳寿命。更改的失调值改变了每个齿轮对的负载齿接触分析，从而导致预测的齿轮啮合阻力和传动误差的变化。

变速箱结构内的挠曲用于计算行星齿轮组中行星齿轮之间的负载分担，理想情况下，该负载分担是相等的，但由于系统挠曲和制造误差，实际上并非如此。再次，结构模型中更改的位移值会导致行星负载分担的修改计算。

轴承疲劳是由整个系统的模拟产生的负载和挠曲确定的。由于温度曲线而导致的位移和失调的更改的值会修改轴承寿命。

附加地，系统负载和位移用于计算齿轮啮合刚度和轴承刚度，这两者均与负载相关，因此也受温度曲线的影响。这很重要，因为这些刚度值用于创建整个变速箱的动力学模型，该动力学模型会受到传动误差的激励，以便计算由于齿轮磨损引起的表面振动和/或辐射噪声。所有这些影响均被无缝处理。

进一步的开发改进了传动系统的动态分析以及振动和辐射噪声的后续预测。本发明包括驱动轴的参数定义模型，该驱动轴包括等速万向节，该万向节的刚度随施加的负载(扭矩)和铰接角而变化。在执行该计算并将其包括在整个系统动态模型中时，实现了更准确地预测传动系统的动态行为。

齿轮胶合的预测涉及计算齿接触分析并使用局部摩擦学模型预测由于齿轮啮合而引起的温度升高。该预测通过两种方式受到计算得到的热行为的影响：首先，变化的失调值改变了齿接触分析，从而改变啮合中的预测温度升高；其次，在进入啮合之前，使用热分析来指示变速箱内的整个机油的温度。

在所有这些分析中，包括温度曲线影响在内的影响是要提高预测的准确性。因此，提供给设计工程师的信息更加准确，从而允许更肯定地优化设计并避免潜在的故障。变速箱将更安静且更高效，并减少了由于疲劳或胶合而导致灾难性的且可能威胁生命的变速箱故障的风险。

所有这些都是通过封装来实现的，其允许非专家在适合实际设计项目的时间尺度内执行这项工作，并且其有助于多目标设计优化。

有在稳态或瞬态条件下执行这项工作的选项。稳态条件下的结果更易于质问和验证，尽管它们不能表示实际操作。

即使在稳态下，热影响的包含也会导致热模型、结构模型和动力损失模型之间形成感兴趣的影响圈。齿轮啮合的初始动力损失值可以仅包括计算出的失调值，而不受温度曲线的影响。随着变速箱结构内的不均匀温度改变失调，齿轮啮合处的动力损失也随之改变，从而修改了稳态温度分布。该软件具有迭代这些值直到实现收敛的功能。

瞬态分析表明条件不是恒定的，但是动力损失、热模拟和系统挠曲之间的相同相互作用是相关的。瞬态现象主要是由于操作条件的变化而发生，诸如驱动速度或扭矩。这用于表示现实操作条件，并且汽车行业使用准标准的最坏情况，诸如“死亡谷循环”，其中定义了死亡谷在速度、扭矩和外部热量方面的驱动条件，并将其用作时间步长模拟的输入。

汽车行业还使用标准驱动循环(诸如，新欧洲驱动循环)来测量车辆的燃油经济性和排放。在本发明中，每个驱动循环以给定的外部温度和传动系统内的环境热分布开始(可能但不一定是均匀的)。该均匀分布用于失调，因此用于t＝0时的动力损失。随着循环开始，热量输入会改变部件内的温度分布，从而导致失调以及热源的变化。温度分布的演变取决于初始条件、模拟输入以及由于整个驱动循环内温度分布而引起的齿轮啮合摩擦学、散热和系统挠曲的相互作用。

这在计算车辆燃油消耗并因此计算排放量方面具有特殊优势。在整个驱动循环中，变化的变速箱温度会改变机油的粘度，从而改变变速箱的许多关键部件的效率，包括齿轮啮合动力损失和齿轮搅动。众所周知，客车传动系统的效率在启动时相对较差，并且随着传动系统的加热而提高。该工程效果是，可以按照当前可能无法实现的方式预测传动系统的温度变化和效率，从而降低设计和开发过程中的风险，并最终实现更高效的车辆。

可以使用标称值的部件尺寸来运行所有先前的模拟。另外，可以将公差分配给关键参数，使得可以评估传动系统性能的变化。例如，由于齿轮制造过程中的变化而引起的齿轮微观几何结构的变化会影响负载的齿接触分析，从而影响与因热变形而引起的失调变化的相互作用。潜在地，安全性将得到提高。

经编号的条款

还提供了由以下经编号的条款定义的主题：

1.一种用于设计传动系统的计算机实现的方法，该方法包括以下步骤：

提供传动系统的参数定义；

用户指定要对输入数据执行的分析类型；

根据所选的分析类型确定输入数据的哪些特征被用于分析；以及

根据参数定义创建集总参数热模型；

根据要被执行的所述分析类型来分析所述传动系统的性能；

由此用于制造传动系统的设计被产生。

2.根据条款1的方法，其中热模型的热输入包括对在齿轮啮合和/或轴承处的动力损失的计算。

3.根据条款2的方法，其中轴承处的传热系数可以被手动定义，或者根据轴承的操作条件进行计算。

4.根据条款2或3的方法，其中由于稳态或瞬态操作条件，对变速箱中的不均匀的热分布的预测被执行。

5.根据条款4的方法，其中变速箱部件的不均匀的热曲线被用来计算齿轮和轴承的操作失调，无论是否由于齿轮力而产生挠曲。

6.根据条款5的方法，其中操作失调被用作对以下各项中的任何一项的计算的输入：齿轮应力、齿轮疲劳、齿轮胶合、齿轮传动误差、齿轮啮合动力损失、齿轮啮合刚度、行星齿轮负载分担、轴承非线性刚度、轴承疲劳、变速箱效率、变速箱振型、由于齿轮传动误差引起的动态强制响应。

7.根据条款6的方法，其中系统内的预测油温被用作齿轮胶合计算的输入。

8.根据条款6的方法，其中齿轮啮合和/或轴承处的动力损失、系统热模拟和系统挠曲都相互影响，从而导致在稳态或瞬态条件下产生收敛解。

9.根据条款8的方法，其中在齿轮啮合和/或轴承处的动力损失的收敛解被用于计算稳态或瞬态条件下的变速箱效率。

10.根据条款1的方法，其中在系统振型分析中，等速万向节的负载和与角度相关的刚度与滚动元件轴承的与负载相关的刚度被组合计算。

11.根据任何先前条款的方法，其中传动系统的参数定义受制造公差的限制。

12.一种用于传动系统的计算机辅助工程设计的计算机可读产品，该产品包括用于实现根据条款1至11中任一项的方法的步骤的代码装置。

13.一种用于旋转机械组件的计算机辅助工程设计的计算机系统，该系统包括被设计用于实现根据条款1至11中任一项的方法的步骤的装置。

Claims (33)

1.一种用于设计传动系统的计算机实现的方法，所述传动系统包括多个部件，所述方法包括以下步骤：

a)接收所述传动系统的参数描述；

b)根据所述参数描述创建所述传动系统的热模型；

c)使用所述热模型计算针对所述传动系统的一个或多个部件的温度分布；

d)基于所述参数描述和所述温度分布，确定由所述温度分布引起的所述传动系统的一个或多个部件的挠曲；

e)基于所述一个或多个部件的所确定的所述挠曲，计算所述传动系统的性能度量；以及

f)将所述性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较，如果所述一个或多个循环结束条件未被满足，则：基于所述性能度量更新所述参数描述，以及针对所更新的所述参数描述重复步骤b)至e)。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

根据所述参数描述创建所述传动系统的结构模型；以及

基于所述结构模型和所述温度分布，确定由所述温度分布引起的所述传动系统的一个或多个部件的所述挠曲。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

基于所述热模型以及所确定的所述挠曲，重新计算针对所述传动系统的所述一个或多个部件的所述温度分布；以及

针对所重新计算的所述温度分布重复步骤d)和e)。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

将所述温度分布和/或挠曲与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果所述一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于所述热模型以及所确定的所述挠曲，重新计算针对所述传动系统的所述一个或多个部件的所述温度分布；以及

针对所重新计算的所述温度分布重复步骤d)和e)。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

接收要针对所述传动系统被执行的分析类型的指示；以及

根据要被执行的所述分析类型计算所述传动系统的所述性能度量。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

基于要被执行的所述分析类型，根据所述参数描述构建所述传动系统的数学模型；以及

根据要被执行的所述分析类型和所述数学模型计算所述传动系统的所述性能度量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中根据所述参数描述构建所述传动系统的所述数学模型包括：处理由所述参数描述提供的信息子集。

8.根据权利要求5所述的方法，其中：

要被执行的所述分析类型是效率分析，并且

所述性能度量是效率度量。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

基于以下各项计算所述传动系统的所述效率度量：(i)所述参数描述，(ii)所述一个或多个部件的所确定的所述挠曲，以及(iii)所计算的所述温度分布。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

基于以下各项计算所述传动系统的动力损失曲线：(i)所述参数描述，(ii)所述一个或多个部件的所确定的所述挠曲，以及(iii)所计算的所述温度分布；

将所述动力损失曲线与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果所述一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于所述动力损失曲线重新创建所述传动系统的所述热模型；以及

基于所重新创建的所述热模型重复所述动力损失曲线的所述计算；

如果所述一个或多个循环结束条件被满足，则：

基于以下各项计算所述传动系统的所述效率度量：(i)所述参数描述，(ii)所述一个或多个部件的所确定的所述挠曲，以及

(iii)所计算的所述温度分布。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述参数描述构建结构啮合模型；

基于所述结构啮合模型构建啮合热模型；

使用以下各项计算针对所述传动系统的一个或多个部件的温度分布：(i)所述啮合热模型；以及(ii)与所述传动系统相关联的一个或多个流体温度；

基于以下各项来确定由所述温度分布引起的所述传动系统的一个或多个部件的所述挠曲：(i)所述结构啮合模型；以及(ii)所述温度分布；以及

基于所述一个或多个部件的所确定的所述挠曲计算所述传动系统的所述性能度量。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

根据所述参数描述创建所述传动系统的集总参数热模型；

基于所述集总参数热模型计算与所述传动系统相关联的所述流体温度。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

从传感器接收与所述传动系统相关联的所述流体温度作为输入。

14.根据权利要求1所述的方法，其中计算性能度量包括：

针对多个不同的环境条件向所述传动系统应用驱动循环。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于要被执行的分析类型，自动确定要使用所述参数描述的哪些特征来计算所述性能度量。

16.根据权利要求1所述的方法，其中创建所述传动系统的所述热模型包括：

计算所述传动系统的所述部件中的一个或多个部件处的动力损失；以及

将所计算的所述动力损失转换为所述热模型的一个或多个热输入。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

基于所确定的所述挠曲计算操作失调值；以及

基于所述操作失调值计算针对所述传动系统的动力损失。

18.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所确定的所述挠曲计算操作失调值；以及

基于操作失调值计算以下中的一个或多个：齿轮应力、齿轮疲劳、齿轮胶合、齿轮传动误差、齿轮啮合动力损失、齿轮啮合刚度、行星齿轮负载分担、轴承非线性刚度、轴承疲劳、传动系统效率、传动系统振型、由于诸如齿轮传动误差等激励而产生的动态强制响应、扭矩波动、定子径向力。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

使用所述传动系统内的预测润滑剂温度作为齿轮胶合的所述计算的输入。

20.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过执行所述传动系统的动态分析来计算所述性能度量，包括计算所述传动系统中的部件的质量和刚度的矩阵。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

计算等速万向节的负载和与角度相关的刚度，并且将这包括在所述传动系统的动态分析中。

22.根据权利要求20所述的方法，还包括：

计算滚动元件轴承的与负载相关的刚度，并且将所述刚度包括在所述传动系统的动态分析中。

23.根据权利要求1所述的方法，其中所述传动系统的所述参数描述包括制造公差。

24.一种用于设计传动系统的计算机实现的方法，所述传动系统包括多个部件，所述多个部件包括变速箱，所述方法包括以下步骤：

a)接收所述传动系统的参数描述；

b)接收要针对所述传动系统被执行的分析类型的指示；

c)根据所述参数描述创建所述传动系统的至少所述变速箱的热模型；

d)使用所述热模型计算针对所述传动系统的至少所述变速箱的温度分布；

e)根据要被执行的所述分析类型、所计算的所述温度分布和所述参数描述来计算所述传动系统的性能度量；以及

f)将所述性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较，如果所述一个或多个循环结束条件未被满足，则：基于所述性能度量更新所述参数描述，以及针对所更新的所述参数描述重复步骤b)至e)。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括：

基于所述参数描述创建所述传动系统的结构模型；以及

基于所述结构模型和所计算的所述温度分布来计算所述传动系统的所述性能度量。

26.根据权利要求24或25所述的方法，还包括：

基于与所述传动系统相关联的循环性能度量重新创建所述热模型；以及

针对所重新计算的所述温度分布重复步骤d)和e)。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括：

将所述循环性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果所述一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于与所述传动系统相关联的所述循环性能度量重新创建所述热模型；以及

针对所重新创建的所述热模型重复步骤d)和e)。

28.根据权利要求24所述的方法，还包括：

基于与所述传动系统相关联的循环性能度量重新计算所述温度分布；以及

针对所重新计算的所述温度分布重复步骤e)。

29.根据权利要求26所述的方法，其中所述循环性能度量包括所述性能度量或者中间性能度量。

30.根据权利要求28所述的方法，还包括：

将所述循环性能度量与一个或多个循环结束条件进行比较；以及

如果所述一个或多个循环结束条件未被满足，则：

基于与所述传动系统相关联的所述循环性能度量重新计算所述温度分布；以及

针对所重新创建的所述热模型重复步骤e)。

31.根据权利要求24所述的方法，其中所述传动系统包括电机。

32.一种用于传动系统的计算机辅助工程设计的计算机可读产品，所述产品包括用于实现根据权利要求1至31中任一项的所述的方法的所述步骤的代码装置。

33.一种用于传动系统的计算机辅助工程设计的计算机系统，所述系统包括被设计用于实现根据权利要求1至31中任一项的所述的方法的所述步骤的装置。