传动系建模器
阅读：660发布：2022-12-18
专利汇可以提供传动系建模器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于设计传动系的 计算机辅助工程 的方法包括步骤：创建传动系的单个参数化描述；使用一个或者多个故障模式来分析针对性能的参数化描述；以及通过 修改 参数化描述和重复分析步骤来优化性能。，下面是传动系建模器专利的具体信息内容。
1.一种用于产生用于传动系的设计的计算机辅助工程的方法，所述方法包括步骤：
a)提供所述传动系设计的参数化描述；
b)接收一个或者多个故障模式的用户选择用于分析；
c)从所述参数化描述中选择适合于分析的复杂性的数据；
d)分析所选择的数据；以及
e)向所述用户提供性能信息；
其中所述参数化描述包括与所述传动系或者其部件的形式、功能、属性和操作条件有关的数据，并且其中所述参数化描述是用于所有分析的单个公共数据源，并且其中在使用中，所述用户评估所述设计如何满足性能目标。
2.根据权利要求1所述的方法，包括附加步骤：
g)从所述用户接收所述设计的修改；
h)更新所述参数化描述并且重复步骤c)至e)；以及
i)重复步骤g)和h)直至所述设计满足所述性能目标。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述分析的步骤包括根据所述参数化描述推导一个或者多个数学模型，其中从所述单个公共数据源中推导用来推导用于分析所述一个或者多个故障模式的所述数学模型的数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述传动系包括一个或者多个子系统，并且其中所述子系统包括一个或者多个部件，并且其中所述分析的步骤包括动态分析，并且其中所述推导所述部件或所述子系统的数学模型的步骤包括形成离散化的模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述离散化的模型包括节点，其中节点数目在定义的频率范围中足够准确，并且其中每节点的自由度具有适合用于所述故障模式的线性或者非线性特性。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，还包括步骤：
自动地选择用于所述频率范围、适合的线性和非线性特征、和/或能够在每节点一个自由度和每节点六个自由度方面进行描述的行为的适当设置；
其中所述自动地选择的步骤包括选择与所述动态分析相关的设置。
7.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中一个或者多个故障模式的所述用户选择包括传动系的对于一个驱动周期或者驱动周期全体的效率，以及其中所述分析的步骤包括步骤：
将速度相对时间历史转换成持续时间相对速度相对加速度的驻留直方图；以及将所述驻留直方图与效率映射相乘以给出所述效率。
8.根据权利要求7所述的方法，包括附加步骤：接收用户的分析选择，其中所述分析选择通过时域仿真来计算效率，并且重复步骤a)至e)，其中所述用户能够比较分析。
9.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中一个或者多个故障模式的所述用户选择包括齿轮的应力、耐久性、噪声和/或效率，并且其中所述分析的步骤包括步骤：分析所述齿轮的切割工具的形状的影响，包括滚刀、成形器或者铣刀的突起的影响。
10.根据权利要求3所述的方法，其中所述传动系包括电机/发电机和变速箱，并且其中一个或者多个故障模式的所述用户选择包括部件寿命，并且其中所述分析的步骤包括步骤：分析在所述电机/发电机内的失衡的磁引力和转子轴杆偏转以及在所述变速箱内的齿轮分离力。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述故障模式包括制造容差和组装容差。
12.根据权利要求10或者权利要求11所述的方法，其中所述模型是机电传动系的动态模型并且由以下源中的多于一个的源进行激励：(i)来自齿轮的传输错误；(ii)来自电机/发电机的转矩脉动；以及(iii)来自电机/发电机的径向机电负荷。
13.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中所述传动系包括电机/发电机和变速箱，一个或者多个故障模式的所述用户选择包括模式形状和自然频率，并且其中所述分析的步骤包括步骤：线性化在给定的速度和负荷操作点的齿轮啮合刚度、滚轴轴承刚度和/或失衡的磁引力的非线性行为。
14.根据权利要求9至13中的任一权利要求所述的方法，其中一个或者多个故障模式的所述用户选择包括电机或者发电机的气隙并且其中所述分析的步骤包括步骤：在准静态或者动态条件下分析系统偏转。
15.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中一个或者多个故障模式的所述用户选择包括电机、变速箱、传动系或者机电传动系的在概念阶段的动态行为，并且其中所述分析的步骤包括步骤：向所有轴承的外滚道应用通用外壳刚度，以给定响应于转矩脉动和/或传输错误而从轴承外圈向外壳传递的振动动力。
16.根据权利要求4至15中的任一权利要求所述的方法，其中一个或者多个故障模式的所述用户选择还包括封装所述传动系，所述用户评估所述设计如何满足性能目标包括步骤：所述用户在图形用户界面中评估所述传动系或者其部件的几何形状尺度设定。
17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述分析所选择的数据并且向所述用户提供性能信息的步骤通过计算机可读产品来实现。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述接收一个或者多个故障模式的用户选择用于分析的步骤通过同一计算机可读产品来实现。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述故障模式是工程性能。
20.根据权利要求19所述的方法，其中工程性能包括以下项：车辆/产品性能、能量/燃料效率/经济性、废气排放、成本、结构偏转和应力、耐久性和疲劳、可制造性、热性能、可听噪声生成、由于动态输入负荷所致的机械故障、对用户和/或环境不利的动态负荷生成、速度和速率改变以及与控制系统的令人满意的交互。
21.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述提供所述参数化描述的步骤或者所述更新所述参数化描述的步骤包括步骤：
在计算机系统的图形用户界面内根据以下步骤创建所述传动系的布局：
接收用于所述传动系的部件的用户选择；
对所选择的部件进行定位；
创建在所选择的部件之间的关联；以及
基于所述关联、所述选择的部件的相对定位、所述选择的部件的属性或者所述关联的属性中的一项或者多项形成所述单个参数化描述。
22.根据权利要求21所述的方法，包括另一个步骤：
根据用户指令从用于传动系的图形用户界面转变成用于变速箱的图形用户界面；
用于变速箱的所述图形用户界面允许：定义、修改或者分析变速箱比率、功能布局、几何形状尺度、部件负荷、偏转或者耐久性。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述转变的步骤在同一图形用户界面中发生。
24.根据权利要求22或者23所述的方法，其中所述定义或者修改的步骤包括修改所述参数化描述。
25.根据权利要求22或者23所述的方法，其中所述分析的步骤包括修改所述参数化描述。
26.一种用于传动系的计算机辅助工程的计算机可读产品，所述产品包括用于实施根据权利要求1至25中的任一权利要求所述的方法的步骤的代码装置。
27.一种用于旋转机器组件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施根据权利要求1至25中的任一权利要求所述的方法的步骤的装置。
传动系建模器
技术领域
[0001] 本发明涉及使用计算机辅助工程(CAE)来设计传动系，传动系包括由包括内燃机、变速箱、发电机、电机、飞轮、电池、燃料箱、超级电容器、离合器、齿轮、泵、轴杆、用于风扇的叶片、直升机、航空器、风力涡轮机、车辆等的子组件组成的系统，并且该子组件由轴杆、外壳、活塞、叶片、齿轮、轴承、离合器、转子、定子等构成。本发明还涉及组成传动系的组件的设计。术语“传动系”包括术语“传动系统”和“动力系统”。
背景技术
[0002] 设计传动系是复杂和耗时的。工程师需要在制作传动系之前知道它适用于的用途，并且为了确定这一点，使用各种分析方法来确定判断性能或者故障可能性、继而优化以改变产品定义，以便最大化产品性能。通过数学仿真或者其它方法、比如基准测试(与相似产品比较)进行的分析通常是在计算机程序中执行的，并且计算机辅助工程(CAE)领域已经基于这一意图而发展。
[0003] 设立对于给定的故障模式或者性能方面的分析的过程需要创建系统、子组件和部件的模型。因此，该过程变成(i)建模、(ii)分析和(iii)优化之一。故障模式包括什么构成在性能方面的故障。
[0004] 需要在设计过程中考虑产品性能的不同方面、包括(但不限于)：车辆/产品性能、能量/燃料效率/经济性、废气排放、在空间约束内封装、成本、重量、结构偏转以及应力、耐久性和疲劳、可制造性、热性能、可听噪声生成、由于动态输入负荷所致的机械故障、对用户和/或环境不利的动态负荷生成、速度和速率改变以及与控制系统的令人满意的交互。
[0005] 为了评估这些不同故障模式和性能方面，使用不同数学分析方法并且这些需要系统的由不同数据构成的不同模型。作为结果，通常具体为每个故障模式构建用于该故障模式的CAE模型。在图1中图示这一点。实际上，经常具体出于评估给定的故障模式的目的而开发CAE包。
[0006] 预测每个部件或者子系统的性能经常需要不同的计算算法。部件和子系统也经常由不同部门或者公司设计和制造。因此，对该部件或者系统的仿真经常单独聚焦于部件或者子系统而忽略或者简化与其它部件或者子系统发生的交互。结果可能是产品性能的不准确预测。
[0007] 与经历瞬时创建时刻相比，系统的设计作为过程的结果而演变。定义设计的参数中的一些参数是在过程的开始定义的；直至结束才定义其它参数。
[0008] 作为结果，在设计过程中的不同阶段执行产品性能的不同分析。并非所有方法在开始时是可能的。通常，在产品定义为轻时，仅相对简单分析是可能的，并且其仅朝着可能是更复杂的分析的设计过程的结束。
[0009] 另外，对于相同故障模式，可以在设计过程中及早地执行简单分析，然后可以对于相同故障模式在以后执行更复杂分析，因为产品定义更成熟并且包含更大保真性。
[0010] 因此，可见不同模型具有不同目的并且被使用在设计过程中的不同阶段。单个模型定义不能用于传动系的完整设计和优化，并且各有其不同特征以及不同长处和弱点的不同模型在设计过程的不同阶段中和由不同工程设计专业人员使用。
[0011] 这意味着设计者团队将使用多个分离应用用于分析传动系的性能。为了在不同复杂性水平分析模型，他们将需要使用分离应用用于相同性能测量。此外，适合用于对于一个性能测量的数学分析的模型将不适合用于另一性能测量。设计团队的每个成员将需要运用他或者她自己的知识和经验以知道(i)选择什么应用、(ii)使用什么模型和准确性水平以及(iii)需要什么分析以得到希望的结果。
[0012] 此外，用户将在描述旋转机器组件的信息(输入数据)仅有益于简单分析时使用详细分析存在风险；这可能造成分析中的错误，而用户可能不知道。
[0013] 另外，由于人工地创建模型，并且在不同应用中，描述旋转机器组件的信息(产品定义)的改变未和经常不能变成被级联到在不同应用中运行的其它分析。
[0014] 这在考虑在创建产品期间发生的、在设计与分析之间的工程活动的具体划分时特别地明显。设计至少对于机械工程师而言经常视为涉及产品的几何形状的定义，而分析在产品对于性能方面或者故障模式而言如何工作方面对产品进行研究。事实上，在设计中考虑的几何形状仅为性能的一个方面——它应对产品如何与可用封装空间相配的问题。而这一性能方面通常由完全不同的计算机程序CAD(计算机辅助设计)应对，该CAD具有用于预测其它的产品性能方面的很少计算能力或者没有这样的计算能力以及具有与分析包的不良链接或者不存在这样的链接。CAD包通常由设计工程师操作而分析包由分析工程师操作。结果是在设计过程中的断开、不良生产率、次优产品和浪费的经济活动。
[0015] 复杂分析还有一个问题。任何分析的目的是指导产品的设计，因此分析的价值在分析的结果被工程团队正确地解释/理解并且做出对应设计决策时产生。为了使结果被理解，它需要对工程师“有意义”并且对应于工程师理解系统执行的方式。然而，一旦分析变成高度地复杂，有可能的是结果将太复杂而无法理解、或者它未与工程师对它的性能的基本理解匹配。因此，即使分析结果可以是可能的最准确分析，但是它将在关于系统的工程决策中被丢弃。
[0016] 具有讽刺意味的是工程师对系统性能的基本理解与可能已经在设计过程开始时执行的简单分析很接近地有关。因此，存在冲突——希望增加复杂性，因为这一点被假设用于增加准确性和产品性能，而使这一点过度，那么复杂分析不再有用。
[0017] 这些分析的目的是避免故障模式。随着设计在设计过程中成熟，数据定义的增加代表向设计中的资金投入的增加，因此需要在最早可能机会实现故障模式的任何标识、由此最小化反复重新工作的财务成本。
[0018] 这指向过程中的最终冲突。过程需要提供建模和分析速度以给予生产率，而仍包括所有系统影响以提供准确性。分析具有所有系统影响的更大系统往往产生更复杂分析，而如已经讨论的那样，这造成建模和分析速度以及数据解释的问题。
[0020] 已经描述的用于产品设计的当前过程是创建传动系的模型以便分析各种故障模式的过程。由于定义设计参数的顺序的自然分级、以及对于各个分析的不同要求，在设计过程中的不同阶段执行不同分析。因此，设计过程由在用于不同分析目的的不同阶段创建同一传动系的不同表示构成。
[0021] 传动系的关键性能标准之一可以称为车辆性能，并且这可以在设计过程中使用可以称为“框图”的简单模型来很早地评估。
[0022] 这由主要子组件构成：引擎、变速箱、电机、电池、燃料箱和车辆。线路连接子组件并且表示用来从一个子组件向另一子组件传输动力的功能连接。这一动力可以是以旋转机械动力(在引擎、电机、变速箱和车辆之间)、电能(在电池与电机之间)或者化学能(在燃料箱与引擎之间)的形式。在图2中给出示例。
[0023] 系统的物理实施例意味着旋转机械动力由旋转轴杆传输、电能由接线传输而化学能由燃料线路传输。然而，工程师无需这一细节，工程师简单地希望查看和理解动力和能量在传动系内的流动。注意不存在几何形状细节来描述系统的物理比例或者它们的相互邻近。
[0024] 可以向子组件指派另外的属性。例如，用于引擎和电机的转矩和动力相对速度的图形，用于变速箱和质量体的传动比集合，用于车辆的拖拉系数、滚动阻力、正面面积和轮胎滚动半径。根据这一数据，可以执行仿真或者分析以推导车辆性能(速度相对时间、最大速度等)。
[0025] 可以向子组件指派进而更多功能属性。可以定义电机、变速箱和引擎的效率为恒定值或者为效率相对速度和转矩的图形(也可以根据其它参数定义更复杂关系)，并且可以在虚拟意义上绕着某个驱动周期“驱动”车辆(速度相对时间的分布)。
[0026] 有可能对于给定的驱动周期、驱动样式等推导用于车辆的燃料经济性和排放的值。这对于低碳车辆被特别地普遍地给出了增加的要求，并且这是需要评估的另一故障模式。在全世界许多不同公司中执行这一工作，并且在许多不同CAE包中体现它。这些CAE包通常是多域动态仿真，该多域动态仿真可以被划分成通才型CAE包(例如Simulink、Dymola、Modellica)和专用车辆仿真包、比如AVL Cruise和GT-Suite这两个子类。在GB2470385A中，仿真模型依赖于也称为“虚拟部件”的部件，每个部件是代表在系统内的旋转机器的部件并且包括算法的模型。每个模型读入输入数据流并且使用它的模型算法将它变换成输出数据流。模型的属性以值的上界和下界、线性或者非线性关系、差分方程的初始值和模型的算法进行的分析的复杂性程度为例。
[0027] 如已经陈述的那样，产品性能的关键方面是封装、即产品必须在可用空间内物理地相配。对于这一点，系统、子组件和部件需要定义它们的3D几何形状，并且这通常在3D CAD包、比如Wildfire、Solid Works、Catia、Unigraphics等中被执行。
[0028] 为了能够添加这样的3D CAD定义，使用材料的密度，这允许计算系统、子组件和部件的重量。这允许计算另一产品性能方面、重量。
[0029] 当前软件产品的关键方面是包括用于评估工程性能(车辆性能、效率、燃料经济性)的功能在与考虑3D几何形状、封装和重量的产品的分离产品中。关注变速箱的具体示例，评估车辆性能、效率和燃料经济性的软件产品需要变速箱仅在它的比率、以及可能的变速箱及其轴杆的惯性和可能扭转刚度方面来表示。在效果上，变速箱未占用3D空间而仅具有与关于传输动力的一个或者多个轴的旋转有关的属性。
[0030] 在进而更多软件包中考虑工程性能的其它方面。工程性能的这些方面包括结构偏转和应力、耐久性和疲劳、可制造性、热性能、可听噪声生成、由于动态输入负荷所致的机械故障、对用户和/或环境不利的动态负荷生成、速度和速率改变以及与控制系统的令人满意的交互。在后续段落中讨论这些。
[0031] 机械动力传输包括在部件上引起应力，这些应力可能由于超负荷、疲劳故障或者磨损而引起灾难性故障。通常计算系统内的操作负荷、计算部件的偏转和应力以及因此计算部件和因此整个系统的耐久性。通常在通才型有限元包，比如Nastran、Ansys或者Abaqus，或者专用包，比如RomaxDesigner、KissSoft(用于变速箱)和AVLExcite(用于引擎)中实现这样的仿真。
[0032] 为其它子系统、比如电机和发电机开发其它专用包，这些子系统是包、比如Opera、SPEED和JMAG的对象。
[0033] 在变速箱内，齿轮是关键部件，这些部件需要耐久、静音和高效并且同时在可用空间内相配并且也可制造。通常针对齿轮计算应力(对于耐久性)、效率和生成的振动，但是这有时被完成而未考虑齿轮的可制造性。关键方面是用于齿轮的切割工具的形状，并且具体为滚刀、成形器或者铣刀的突起如何影响齿轮的形状、因此影响对于耐久性、噪声和效率的结果。无法考虑这些可制造性方面可能造成不准确结果。
[0034] 关于动态分析，数学表示的复杂性主要地根据研究的故障模式而变化。以下给出示例：
[0035] “驱动周期仿真”是动态分析，其中例如仿真沿着由可变速度构成的某个路线驱动的道路行进车辆。这已经关于“框图”建模而先前加以描述。对于这一仿真，故障模式/性能标准是燃料经济性和CO2排放。
[0036] “声仿真”是在其中传动系的结构由某个周期性地重复的推动所激励，该推动比如引擎点火(来自内燃机)、转矩脉动(来自电机)或者传输错误(来自齿轮啮合)。传动系结构(包括旋转部件、比如轴杆和齿轮，以及结构部件、比如外壳、护套等)响应于这一激励而振动。计算这一推动的响应，并且感兴趣的结果是在传动系装配位置的振动(这例如变成被传输到车辆的结构)或者在外部外壳的表面的振动(这可以被转换成辐射的声信号)。通常在通才型FE包、比如Nastran、Ansys和Abaqus或者通才型多体包、比如ADAMS或者Simpack中实现这样的仿真。对于这一仿真，故障模式/性能标准是噪声、振动和声振粗糙度。
[0037] 执行各种“传动系瞬态仿真”，这些传动系瞬态仿真关注如下现象，其中由旋转部件构成的动力传输传动系受到驱动转矩或者速度的迅速改变的影响。
[0038] 在一个实例中，传动系的响应可以包括反转转矩的符号，从而产生具有后冲的部件，比如跨后冲区域行进并且经历碰撞负荷的齿轮和齿条。通常在通才型多体包、比如ADAMS或者Simpack中实现这样的仿真。对于这样的仿真，故障模式/性能标准是在系统内的高冲击负荷或者操作者可能听见或者感觉的碰撞。
[0039] 在另一实例中，转矩改变可以来自车辆驶过颠簸或者电机经历电网故障或者电气短路。传动系的响应可以包括关键部件上的高负荷(造成耐久性问题)或者车辆的加速/减速(让乘坐者不快)。通常在通才型多体包、比如ADAMS或者Simpack中实现这样的仿真。对于这样的仿真，故障模式/性能标准是在系统内的高冲击负荷或者操作者感觉的加速度改变。
[0040] 已经描述用于传动系的不同动态仿真的三个示例。可以描述其它示例，包括齿轮敲击、插入/拔出、失衡、变速质量和风力涡轮机中的两速发电机的接合。
[0041] 这些动态现象中的一些动态现象与子系统有关而一些与完全传动系系统有关。这样，它们让部件供应商(例如轴承和同步器供应商)、子系统供应商(例如变速箱、引擎、电机、传动轴杆供应商)和车辆制造商感兴趣并且受到其影响。
[0042] 在许多情况下，子系统的行为受部件的详细特征影响，并且传动系的行为受子系统的详细特性影响。因此，需要从部件供应商向子系统供应商和从子系统供应商向车辆制造商传递详细设计信息。然而，这一过程受阻，因为部件和子系统供应商经常由于保密性的原因而不愿透露它们的产品的详细设计信息。
[0043] 子系统的动态模型有可能被打包成子模型。这些有时称为“S函数”(在多域仿真包、比如Simulink的情况下)或者超元(在有限元和多体动态包的情况下)。
[0044] 在任何情况下，由于隐藏了这样的模型的细节，所以必需的是它们具有用于仿真给定的动态现象或者故障模式的正确细节水平。模型的接收者依赖于模型的制定正确以求将要获得的仿真结果的准确性，而经常以次优方式设立动态模型。
[0045] 随着产品和子系统的设计继续，执行进一步分析。电机或者发电机普遍由用于变速箱的电机/发电机专家或者公司等设计。诱人之处是假设两个子系统一起组装而无问题并且另一子系统是旋转动力的良好接收器或者递送器。因此，在分离数学模型中设计和分析子系统而假设是通过理想地对准的轴杆递送平稳、不变的转矩传递。
[0046] 事实上，在通过变速箱传输动力时，在齿轮分离力使轴杆弯曲、轴承偏转和外壳偏转。在电机中生成动力时，转子受到失衡的磁引力，并且任何轴杆偏转或者偏离将造成离心拉动转子。这些力(加上力矩)和偏转(加上未对准)在计算轴承上的负荷、因此计算轴承寿命以及齿轮应力、寿命、噪声和效率时是重要的。也影响电机中的气隙，该气隙影响电机寿命。
[0047] 有可能在变速箱仿真内计算在变速箱内的负荷和偏转的影响以及其对变速箱性能的影响。类似地，有可能使用电机仿真来计算电机中的失衡磁引力。然而，未考虑在两个子系统之间的交互。
[0048] 这变得越来越重要，因为紧凑机电传动系的设计要求电机和变速箱变得越来越集成，因此这样的交互变得更重要。
[0049] 理解任何产品的动态行为经常包括创建数学模型，可以从该数学模型推导自然频率和模式形状。这在产品以线性方式或者以线性为主的方式表现时是最有效的起点。
[0050] 有可能使用通才型工具、比如有限元分析(例如Ansys,Nastran)或者多体动态性(例如ADAMS)或者专家工具、比如RomaxDesigner或者MASTA来计算变速箱的自然频率和模式形状。类似地，有可能使用同样的工具来计算电机的结构(机械)部件的自然频率和模式形状。然而，完整组件的自然频率和模式形状要求考虑在两个子系统之间的交互。
[0051] 同样，这变得越来越重要，因为紧凑机电传动系的设计要求电机和变速箱变得越来越集成，因此这样的交互变得更重要。
[0052] 另外，系统的自然频率和模式形状的定义要求正确地包括系统的所有相关质量和刚度。在机械系统内的刚度经常仅与机械部件的接触和抗拉刚度有关。然而，在电机的情况下，电磁力产生的在电机上的失衡的磁引力也构成刚度、事实上为负刚度。这影响系统的自然频率和模式形状、但是当前未被考虑。
[0053] 在动力由电机生成并且由变速箱传输时，在电机中以转矩脉动和可变电磁力、以及齿轮传输错误的形式生成动态激励，并且其在变速箱中耗尽。这些激励经过传动系传播从而产生噪声辐射。
[0054] 有可能使用与声仿真工具、比如Coustyx组合的通才型工具、比如有限元分析(例如Ansys,Nastran)或者多体动态性(例如ADAMS)或者专家工具、比如RomaxDesigner或者MASTA来计算变速箱的动态响应和声辐射。类似地，有可能使用同样的工具来计算电机的结构(机械)部件的动态响应和声辐射。
[0055] 然而，完整组件的动态响应和声辐射要求考虑在两个子系统之间的交互。转矩脉动、传输错误和电磁力激励整个变速箱/电机结构。这在子系统在分离数学模型中被仿真的情况下并不出现。
[0056] 在电机中的影响电机效率的气隙也受系统对失衡的磁引力的动态响应、失衡质量体、转子轴杆的偏转和部件制造容差的影响，但是这未被计算而代之以估计或者从先前设计转入用于气隙的值。
[0057] 先前段落谈及出于评估动态响应和声辐射的目的而对于变速箱和/或电机系统的准确和复杂数学模型的要求。声辐射的源是变速箱/电机外壳，从而为计算声辐射，外壳需要被充分详细地进行建模，从而可以在系统的仿真中包括它。
[0058] 然而，这在将方法应用于产品的实际设计时带来问题，因为在概念设计阶段，工程师对布局、比如可变轴承和齿轮定位、轴杆中心距离、甚至轴杆数目的主要改变感兴趣。因此，无外壳设计存在。技术调查已经表明所计算的电机、变速箱或者机电传动系系统的动态响应根据是使用概念模型(滚轴轴承的外滚道保持刚性)还是使用详细模型(滚轴轴承的外滚道附接到外壳的质量/刚度表示)而颇为不同。
[0059] 因此，设计工程师不能通过仿真来确定哪个概念设计可能在它用于对转矩脉动和传输错误的动态响应时表现最好或者最差。目前，工程师需要在可以执行任何这样的仿真之前在设计外壳时，选择概念而无这样的知识并且投入时间和金钱。
发明内容
[0060] 根据本发明的第一方面，提供一种用于产生用于传动系的设计的计算机辅助工程的方法。该方法包括以下步骤：提供传动系设计的参数化描述；接收一个或者多个故障模式的用户选择用于分析；从参数化描述选择适合于分析的复杂性的数据；分析所选择的数据；以及向用户提供性能信息。这意味着用户可以评价设计多么好地满足性能目标。优点是参数化描述包括与传动系或者其部件的形式、功能、属性和操作条件有关的数据。又一优点是参数化描述是用于所有分析的单个公共数据源。在又一步骤中，通过修改参数化描述并且重复分析步骤来优化性能。
[0061] 优选地，分析步骤包括从参数化描述推导一个或者多个数学模型。这意味着从单个公共数据源中推导用来推导用于分析多个不同故障模式的数学模型的数据。
[0062] 优选地，传动系包括一个或者多个子系统以及其中子系统包括一个或者多个部件，并且其中分析步骤包括动态分析，并且其中推导部件或子系统的数学模型的步骤包括形成离散化的模型。这可以包括从部件或者子系统的动态分析中确定频率范围，并且其中分析的步骤还包括在频率范围中分析部件或者子系统的数学模型，其中分析的步骤快速和准确。这可以包括进一步的步骤：接收动态分析、故障模式或者产品性能方面的用户选择；以及自动选择用于频率范围、适合的线性和非线性特征、和/或一个自由度和六个自由度行为的适当设置。这意味着从参数化描述选择的数据与执行的分析相关。
[0063] 优选地，一个或者多个故障模式的用户选择包括传动系的对于一个驱动周期或者驱动周期全体的效率，并且分析步骤包括步骤：将速度相对时间历史转换成持续时间相对速度相对加速度的驻留直方图；以及将驻留直方图与效率映射相乘以给出效率。软件包可以使用时域仿真或者持续时间相对速度相对加速度(或者转矩相对旋转速度)的驻留直方图来计算传动系的效率、燃料经济性或者排放而选择由用户做出。
[0064] 优选地，一个或者多个故障模式的用户选择包括齿轮的应力、耐久性、噪声和/或效率，并且分析步骤包括步骤：分析用于齿轮的切割工具的形状的影响、包括滚刀、成形器或者铣刀的突起的影响。
[0065] 优选地，传动系包括电电机/发电机和变速箱，并且一个或者多个故障模式的用户选择包括部件寿命，并且其中分析步骤包括以下步骤：通过包括在电机或者发电机内的失衡的磁引力和齿轮分离力来分析电电机或者发电机的系统偏转。故障模式包括制造和组装容差。优选地，模型是机电传动系的动态模型并且由以下源中的多于一个源进行激励：(i)来自齿轮的传输错误；(ii)来自电机/发电机的转矩脉动；以及(iii)来自电机/发电机的径向机电负荷。
[0066] 优选地，一个或者多个故障模式的用户选择包括用于包括变速箱和/或电机或者发电机的传动系系统的模式形状和自然频率，线性化在给定的速度和负荷操作点的齿轮啮合刚度、滚轴轴承刚度和/或失衡的磁引力的非线性行为。
[0067] 优选地，一个或者多个故障模式的用户选择包括电机或者发电机的气隙并且分析步骤包括以下步骤：在准静态或者动态条件下分析系统偏转。
[0068] 优选地，一个或者多个故障模式的用户选择包括电机、变速箱、传动系或者机电传动系的在概念阶段的动态行为，并且分析步骤包括以下步骤：向所有轴承的外滚道应用通用外壳刚度，以给定响应于转矩脉动和/或传输错误而从轴承外圈向外壳传递的振动动力。
[0070] 优选地，对于性能而分析参数化描述的步骤通过计算机可读产品来执行。评估变速箱和/或电机/发电机的几何形状尺度设定和封装的步骤可以通过同一计算机可读产品来执行。分析故障模式可以通过同一计算机可读产品来执行。性能可以是工程性能。工程性能包括以下各项中的一项或多项：车辆/产品性能、能量/燃料效率/经济性、废气排放、成本、结构偏转和应力、耐久性和疲劳、可制造性、热性能、可听噪声生成、由于动态输入负荷所致的机械故障、对用户和/或环境不利的动态负荷生成、速度和速率改变以及与控制系统的令人满意的交互。
[0071] 优选地，提供参数化描述的步骤或者更新参数化描述的步骤包括：在计算机系统的图形用户界面内根据以下步骤创建传动系的布局：接收用于传动系的部件的用户选择；对选择的部件进行定位；以及创建在选择的部件之间的关联。形成基于关联、选择的部件的相对定位、选择的部件的属性或者关联的属性中的一项或者多项的单个参数化描述。
[0072] 优选地，用户可以从用于传动系的图形用户界面转变成用于变速箱的图形用户界面，其中后者允许定义、修改和分析变速箱比率、功能布局、几何形状尺度、部件负荷、偏转或者耐久性。这意味着在用于变速箱的图形用户界面中进行的改变可以修改参数化描述和在用于传动系的图形用户界面中执行的分析。
[0073] 根据更多方面，本发明提供一种用于传动系的计算机辅助工程的计算机可读产品，该产品包括用于实施根据以上描述的方法的步骤的代码装置。
[0075] 现在将参照附图仅通过示例描述本发明，在附图中：
[0076] 图1示出用于使用系统的由不同数据构成的不同模型来评估不同的故障模式和性能方面的现有技术方式；
[0077] 图2示出传动系的框图表示；
[0078] 图3和图9示出公共数据源如何可以被用于所有分析，从而有助于一旦发生改变就跨所有分析和模型级联数据；
[0079] 图4示出并行混合配置；以及
[0080] 图5示出向图4的子组件的定义添加的数据；
[0081] 图6和图7示出向用户显示并且允许用户与本发明的方法进行交互的图形用户界面；以及
[0082] 图8示出由四个非重叠数据集形成的参数化描述的表示。
具体实施方式
[0083] 需要一种集成方式，该集成方式解决这些问题并且允许产生传动系、组件或者部件的模型，继而分析以判断性能，继而优化以改变产品定义，以便最大化产品性能，并且该集成方式可以由参与设计的所有不同工程专业人员使用，从而为工程师提供优良的可用性和生产率，并且在该集成方式中集成建模、分析和优化这三个方面。
[0084] 在本发明的上下文中，将理解术语“传动系”是指整个系统，从在其处从另一形式(线性动能的、化学的、电的、液压的等)被转换成旋转运动和弹性能量的点，到在其处旋转动能和弹性能量被转换成另一形式(电的、液压的、线性动能等)的点。前一个点可以称为“原动者”，而后一个点可以称为“消耗者”。因此将清楚术语“传动系”包括术语“传动系统”、“动力系统”、“传输”、“动力传输系统”和与上文所指的“整个系统”有关的任何其它术语。术语“组件”包括术语“子组件”、“子系统”、“布置”和与上文所指种类的部件布置有关的任何其它术语。
[0085] 工程师被委派任务为以这样的方式设计这些系统、子组件和部件，该方式为它们满足各种性能目标并且避免各种故障模式。术语“性能目标”和“故障模式”将被理解为组件或者传动系如何表现的相反方面：如果它表现一个或者多个故障模式，则它尚未满足对应性能目标。使用的其它术语包括“性能方面”、“产品性能方面”和“性能标准”。本发明的上下文是它指望解决这些问题中的许多问题：(i)执行的不同分析具有相同数据源，(ii)一旦出于一个目的而输入数据，它被从用于其它目的，(iii)由于公共的产品数据源，出于更新所有分析的目的而级联对数据定义的改变，(iv)应当使用在需要的产品数据和分析复杂性方面的最适合细节水平来执行给定分析，(v)产品数据和分析复杂性二者是可调整水平。这意味着即使在已经执行复杂分析时，仍然可以通过消除复杂性并且恢复成与工程师对产品如何工作的基本理解最接近地匹配的简单分析来逐步反转分析的复杂性，(vi)跨整个产品发生的在部件与子系统之间的交互只要它们适合就被考虑，(vii)应当在最早机会执行对于故障模式的分析；在相同软件环境内评估多个故障模式，(viii)具体而言，产品是否在可用空间内相配这一问题是与所有其它产品性能方面共同考虑的一个产品性能方面，(ix)软件功能被开发成专用界面，该专用界面向用户提供建模和分析的生产率与适当地复杂的产品定义的最优组合。
[0086] 本发明的关键特征是有系统的单个参数化描述，从该参数化描述推导用于多个故障模式分析的多个模型。
[0087] 术语参数化描述是应用于数据收集的标签，该数据收集在产品的形式、功能、属性和操作条件方面定义产品。形式包括与几何形状有关的数据；属性包括部件的材料属性，加上部件专用属性、比如轴承的动态容量、齿轮齿面的表面粗糙度、润滑剂的年度、轴杆材料的Goodman图、电机绕组的电阻率等；操作条件主要地包括旋转机器的动力、速度、转矩，作为时间历史或者驻留直方图，而且还包括温度、湿度等；功能定义产品、子系统和部件执行它们的主要功能的方式，例如滚轴轴承的功能是向轴杆提供支持而允许它旋转、将轴杆和轴承组装在一起并且组合的功能是提供负荷可以被施加到的旋转轴杆、在轴杆上装配齿轮、将其与类似地装配的齿轮进行啮合并且组合的功能是改变速度和转矩(即变速箱)。
[0088] 表1 分析专用数据选择和参数化描述
[0089]
[0090] 表1的第一行示出由四个数据集(功能802、形式804、属性806和操作条件808)形成的参数化描述800的表示。图8示出由四个非重叠数据集(功能802、形式804、属性806和操作条件808)形成的参数化描述800的又一表示。根据使用哪个分析包810、812、
814，工程师必须从四个数据集中的一个或者多个数据集选择数据以创建适合用于执行分析的分析模型。参照图1，当前做法通常是构建用于每个故障模式的分离分析模型。
814，工程师必须从四个数据集中的一个或者多个数据集选择数据以创建适合用于执行分析的分析模型。参照图1，当前做法通常是构建用于每个故障模式的分离分析模型。
[0091] 在传统软件包中，CAD提供形式(几何形状)和一些属性方面(材料密度、但不是杨氏模量)，但是它未包括操作条件或者功能。多体动态性和有限元包中的模型包括形式、功能、属性和操作条件的某些方面，但只包括与被仿真的具体故障模式(见图1)有关的方面。多域动态仿真中的模型也使用与被仿真的具体故障模式(见图1)有关的功能、属性和操作条件这些方面、但是未包括形式。在专用交通仿真包(例如AVL Cruise)中的模型与在多域动态仿真包中的模型相似，因为它们具有与被仿真的具体故障模式(见图1)有关的功能、属性和操作条件这些方面、但是未包括形式。
[0092] 在图8中图示这一点，其中用于分析810的相关数据集由形式集合804、属性集合806和操作条件集合808的三角集合重叠部分代表并且在这一示例中提供用于多体动态性或者有限元包的数据。类似地，用于分析812的相关数据由功能集合802、属性集合806和操作条件集合808的三角集合重叠部分代表并且在这一示例中提供用于多域动态仿真或者专用车辆性能包的数据。类似地，用于分析814的相关数据由形式集合804和属性集合
806的三角集合重叠部分代表并且提供用于CAD的数据。
806的三角集合重叠部分代表并且提供用于CAD的数据。
[0093] 在传统软件包中，不存在所有四种类型的数据造成在设计过程内的工作流程中的不连续。图8图示这一不连续正是本发明消除的。
[0094] 在与图1中使用的方式对照的图3中进一步图示这一点。在第一步骤32中，提供系统的参数化描述。这一参数化描述也可以如以下描述的那样形成，或者它可以是先前已经开发的参数化描述。在步骤34中，一个或者多个用户定义用于被设计的产品的故障模式，并且分析该设计以确定它关于选择的故障模式如何执行。如以上公开的那样，分析是对包括参数化描述的单个数据集的数学分析。该分析意味着在第三步骤36中，用户具有对设计如何无法满足性能标准的认识。在第四步骤38中，用户可以修改和更新设计、因此修改和更新参数化描述并且重复该过程。最后，在第五步骤39中，推导出最终设计。
[0095] 这意味着有用于所有分析的公共数据源，该公共数据源有助于一旦进行改变就跨所有分析和模型级联数据。
[0096] 建模出于需要的目的而尽可能简单并且尽可能早地执行故障模式的分析。因此，传动系的最简单定义始于以下描述的定义，而传动系的主要功能(传输用于驱动车辆的动力)完全通过传动系配置来描述。
[0097] 图4示出并联混合配置。如果去除电机和电池，则描述常规内燃引擎驱动的车辆。如果去除引擎，则描述电动车辆。用于动力流动的连接简单而无歧义地描述传动系的功能。
[0098] 如图5中所示，从这里可以向子组件的定义添加数据。添加少数参数允许先执行车辆性能计算、然后是燃料经济性计算。效率包括燃料经济性或者排放。
[0099] 为了计算燃料经济性和排放，普遍使用给定的“驱动周期”作为输入、比如JC08、NEDC和FTP。这些设置车辆“行驶”(在虚拟意义上)的预定义的速度相对时间历史，针对其计算总燃料消耗或者排放。
[0100] 如已经陈述的那样，驱动周期分析的常见实现方式使用多域动态仿真包，它们是通才型CAE包(例如Simulink、Dymola、Modellica)或者专用车辆性能包、比如AVL Cruise和GT-Suite。在所有这些实例中，计算通过“时间步积分”来继续，其中在给定的时刻(t)的速率(V(t))被用来计算在给定的时间对车辆的推进和拖拉力，差别产生加速度，该加速度跨短时间段而积分以给定在时刻(t+1)的新速率(V(t+1))，等等。有在向前与向后积分之间的差别，但是方法实质上相同。
[0101] 问题出现在于普遍做法是使用预定义的驱动周期(例如NEDC)并且反复地将这用于传动系的设计和优化。传动系变成对于由选择的驱动周期代表的驱动样式而被高度地优化，然而在应用现实驱动时，燃料经济性从目标明显地偏离。
[0102] 公司有可能从现实源获取关于不同驱动周期的数据并且包括这些作为向传动系分析和优化的输入。然而，时域分析的性质意味着分析1000个驱动周期花费分析1个驱动周期或多或少1000倍长的时间。因此，这有碍于在实际设计项目期间被使用。
[0103] 对于这一点的备选是执行传动系的效率的简化分析，该分析比时间步积分略微地更简单(和准确性更低)、但是更快得多地运行并且允许包括大量驱动周期而无时间罚则。
[0104] 速度相对时间历史被简化成持续时间或者周期数目相对速度(车辆或者系统输入/输出的速度)相对加速度或者转矩(正和负)的驻留直方图。这对于驱动周期而言是固定的并且独立于车辆。对于在速度相对加速度表面上的每个点，从引擎、变速箱、电机等的组合的效率映射计算传动系效率。这一效率映射独立于驱动周期。
[0105] 对于驱动周期计算传动系的效率简单地是将驻留直方图与效率映射相乘这样的事情。
[0106] 优点如下：计算比时域仿真更快得多。更重要的是，如果进行对传动系(传动比、变速策略、车辆质量等)的改变，则需要的所有操作是重新计算传动系效率映射，因为驱动周期不变。最重要的是，考虑的所有驱动周期可以被一起“堆叠”成驻留直方图，该驻留直方图代表更宽驱动样式范围、但是没有在分析时间方面的任何罚则。换而言之，一旦预备驱动周期数据，分析1000个驱动周期花费与分析1个驱动周期或多或少相同的时间。
[0107] 因此，公司有可能按地域、位置、驾驶员特征(激进/消极、城市/市区、车辆类型等)、甚至统计评估(1％、10％、期望、90％、99％)对驱动周期进行分类并且执行“假设”(what-if)分析以关于不同市场段调查产品设计的灵敏度。
[0108] 在软件包内向引擎、电机、电池和变速箱的定义添加附加数据。车辆性能和驱动周期因数提供关于将由引擎和电机递送以及由变速箱传输的转矩/动力的信息。从这可以推导用于推导子系统的大小、因此推导子系统的封装要求和重量的计算方法。因此，可以在相同软件包内评估多个传动系性能方面(封装、重量、车辆性能、效率、燃料经济性)。
[0109] 具体而言，对于变速箱，向更详细表示的转变具有具体特征。变速箱的初始表示定义它为系列传动比(见前图)。这允许执行驱动周期仿真，因此可以计算车辆燃料经济性和排放。然而，变速箱的物理实施例要求定义轴杆、轴承、离合器和齿轮布置并且向齿轮指派适当比率以实现先前识别的比率。
[0110] 设计者经常在变速箱设计的预备阶段中使用概念模型、比如“棒状图”，并且这些模型提供一种用于查看在部件之间的功能关系的容易方式。这样的图帮助变速箱的设计者概念化它们的设计而未转回深入结构分析或者详细工程绘图。初始地，他们可以定义这些功能关系而无需定义关于部件的大小设定和封装的信息。
[0111] 一旦已经固定用于给定变速箱的一个或者多个概念的基本功能，该布置经历多个计算，其中向每个齿轮组施加的转矩并且齿轮组的比率被用来通过预测齿轮的节距圆直径、正面宽度和中心距离来估计齿轮组的所需封装。这是用于齿轮的耐久性分析的最简单形式并且可以用最简单输入集合来执行。它也定义主要参数，这些参数定义变速箱的封装和也定义变速箱重量。
[0112] 本发明的具体特征是它允许在相同软件包内、从变速箱(仅比率)在用于传动系建模的图形用户界面中的一个表示转变成在用于变速箱建模的图形用户界面中的另一表示(由轴杆、轴承、齿轮和离合器的功能连接构成的棒状图)。在实践中，这通过对代表变速箱的图标执行的在传动系建模图形用户界面中的由用户定义的命令、比如双击等来执行。
[0113] 在图6中，用户已经创建具有在并联轴杆上装配的多个齿轮的变速箱的棒状图。定义轴承为简单支撑件而仅通过比率定义齿轮。外壳未被定义而被假设为刚性。尚未定义轴杆分节，因此假设轴杆刚度。可以执行动力流动分析，并且可以计算用于齿轮的转矩容量和推荐中心距离，加上轴承和外壳负荷。
[0114] 图7示出图形用户界面的示例，该图形用户界面被显示给用户并且允许用户与本发明的过程交互以创建图6中所示种类的示意图。在图7中，旋转机器的示意图是旋转机器本身的工作模型。
[0115] 工作区域包括一个或者多个视图302、304。在图6中示出与设计的旋转机器的侧视图302和端视图304对应的两个这样的视图。侧视图可以是如沿着给定的轴观看的旋转机器的视图的真实表示，或者它可以是旋转机器的经过一个或者多个切割平面的折叠表示。使用如常用的“棒状图”形式来示出图7中的旋转机器，其中齿轮由矩形元素代表。然而，可以使用旋转机器的其它图解表示、包括“棒状图”，在这些棒状图中，齿轮由大体上“I”形状的元素代表。
[0116] 在图7中所示示例中，两个齿轮310、312分别被装配在两个轴杆320、322上。轴杆320经由离合器330连接到同心轴杆340。在这一示例中，示出轴杆为被布置在大体上水平方向上，但是将理解轴杆可以被对准在任何方向上，比如竖直、对角等方向，并且可以定义和分析具有垂直轴杆的机器。在轴承350、352、354、356、358上支撑轴杆320、322、340。初始地，轴承是很简单的轴杆支撑件而无关于径向、轴向或者倾斜刚度的由用户定义的信息。
随着模型成熟，附加刚度数据可以由用户定义或者计算。
随着模型成熟，附加刚度数据可以由用户定义或者计算。
[0117] 示出在输入362与输出364之间的动力流动360的示例。
[0118] 一旦工程师在变速箱建模界面中从事于棒状图，有可能在软件界面内改变中心距离、改变比率、正面宽度等，并且这改变变速箱的参数。
[0119] 这不仅是传输的图形表示，而且是旋转机器组件的功能的工作模型，可以对该工作模型执行计算以预测旋转机器组件的功能和性能。
[0120] “棒状图”是代表由外部齿轮组构成的传输的很高效和合乎逻辑的方式。轴杆沿着它的中心线来绘制。然而，在涉及到行星式齿轮组或者涉及到具有许多同心轴杆的系统时，有必要在轴杆的外径而不是中心线方面或者在外径和内径方面表示轴杆。进一步改进是用户可以在视图之间自动地切换。
[0121] 可以通过参照图9更好地理解在用户界面与参数化描述之间的交互，图9示出公共数据源如何可以用于所有分析从而有助于一旦经由建模的用户界面进行改变就跨所有分析和模型级联数据。在第一步骤32中，参数化描述可以由与布局GUI 902交互的用户设立，并且通常这创建在参数化描述内保持的形式802和功能804数据。用户也可以经由数据输入904添加属性806和操作条件808数据。因此，用户开发的设计变成用于后续操作的单个数据源。在步骤34中，用户可以评估设计如何满足在产品中需要的性能标准。在这一步骤中，模型和分析使用在参数化描述中保持的相关数据以在步骤36中向用户提供需要的性能信息。这允许用户在步骤31中更新设计，并且重复该过程直至设计在步骤39中满足产品要求。
[0122] 在变速箱建模器内改变齿轮比因此改变变速箱为其一部分的传动系的行为。本发明的特征正是在变速箱建模器界面中的这些改变被向上级联至在传动系系统级的分析。
[0123] 这一点的另一示例是在对变速箱子系统进行改变时，变速箱的动态行为改变，并且这被自动地向上级联至传动系模型。这些改变可以如改变齿轮的中心距离(因此改变变速箱的惯性)一样简单或者如改变轴承的预载(因此改变线性化的轴承刚度以及因此改变变速箱子组件在给定的负荷条件的模式形状和自然频率)一样详细。
[0124] 一旦已经根据初始评估而确立总传动系和子组件匹配车辆的对于封装、重量、性能、效率等的要求，可以向系统添加进一步细节并且可以进行更详细分析。
[0125] 可以使用“时间步积分”方法重新计算效率和燃料经济性。这比转矩/速度驻留方法更准确并且可以用来关注这样的方面、比如在电池内的充电状态、在飞轮内的动能饱和以及热效应。然而，它更耗时并且存在对于评估多个驱动周期的时间罚则。
[0126] 这是由AVL Cruise等行业标准工具使用的方法。独特特征是软件包在相同包中具有时域和更简单的转矩/速度驻留方法二者、用户可以在它们之间切换以便得到各自的优点、并且与效率和燃料经济性方法一起有对其它性能方面、比如封装和重量的认识。
[0127] 在可以执行各种动态分析以针对如下方面评估驱动性能的程度上，可以向系统定义添加进一步细节，这些方面比如声噪声(例如响应于引擎点火、齿轮响声、转矩脉动、在电机内的电磁力等)、齿轮敲击、分流、插入/拔出、叮当声、冲击负荷、变速质量、动力系统弯曲、传动系转矩模型等。
[0128] 这些不同现象和故障模式具有不同物理特性。基于声的现象在20-50Hz频率开始并且达到15000Hz左右。可以感觉的或者造成部件故障的振动是20-50Hz和更低。高频率振动具有更短波长，并且因此需要更高保真性的模型，该模型具有更多节点和更大总数的自由度，这需要更大计算工作。
[0129] 类似地，现象中的一些现象在它们的行为上基本上为线性而其它为高度地非线性。最后，现象中的一些现象可以由仅转矩的数学模型描述，也就是说，模型仅在给定的节点具有一个自由度。对于其它现象，需要所有6个自由度。
[0130] 因此，需要为给定的分析而创建部件、子系统和总系统的适当数学模型。系统由节点汇集描述，这是称为离散化的过程，该过程是将连续模型和方程变换为离散的对应物的过程。节点拥有与分析的目的有关的某些属性(自由度)。例如，如果研究转矩振动，则节点必须拥有转矩自由度。如果研究平移运动，则它们必须拥有平移自由度。节点也拥有与相关自由度有关的惯性并且通过刚度和阻尼项连接到邻近节点以完成动态模型。
[0131] 节点是在模型中的如下点，结果将对于这些点而被推导，因此重要的是将节点放置于感兴趣的位置。另外，需要以充分数量放置节点以便充分地描述系统的行为。例如，振动波形沿着它的波长需要至少4个节点以描述它的形状。因此，如果节点被分离多于0.25厘米，则不能描述具有1厘米波长的振动。给定在连续实线中的振动速率或多或少恒定并且与杨氏模量和密度有关，更高频率振动具有成比例地更短波长并且需要对应更细微离散化。
[0132] 在常规方式中，普遍为每个故障模式创建数学模型，因为在不同包中评估故障模式。模型可以由软件包自动地创建或者由用户定义。
[0133] 然而，没有关于模型是否适合用于执行的分析的校验。可能的是模型不合理地详细因而有分析时间方面的罚则，或者它未充分地详细，意味着结果可能不准确。有可能的是模型可以包括在一个区域中过量的细节而在其它区域中遗漏必需保真性，从而造成缓慢计算和不准确二者。
[0134] 熟知的是工程师花费时间在有限元和多体动态性包中重新构建和精化动态模型，精化模型和进行校验以查看分析结果如何随着离散化水平变化而变化。它们以寻求重新保证模型适当地准确而未过于详细为目标，但是该过程缓慢和耗时并且通常以由在组织内的最高资格、因此最高成本的工程师执行而告终，而对成本有不利影响。
[0135] 本发明提供如下功能，根据该功能具体地创建部件、子系统和/或系统的数学模型以便为给定的故障模式或者产品性能方面提供最优准确性和计算效率。软件包考虑系统的需要评估的动态行为和需要的频率范围。它然后使用分析公式表示以创建针对分析的速度和准确性而优化的数学模型，从而数学模型对于上至和包括限制频率范围的任何分析是准确的，并且具有适当特征(结点定位、与部件的连接、边界条件等)和非线性程度以便分析感兴趣的现象或者故障模式。自动地执行模型的离散化以便在模型中的如下点保持节点，这些点对于描述研究的物理现象(故障模式)是必需的。
[0136] 另一特征可以是用户界面允许工程师选择将访问的现象或者故障模式并且软件包自动地创建用于将包括的频率范围、非线性方面和自由度的适当设置。这样，系统的准确而又计算高效的数学模型可以由在给定的分析领域中无专家技能的工程师创建。
[0137] 确保对于给定的动态现象或者故障模式以优化的方式设立数学模型具有另一优点。它使部件和子系统模型能够被封装成子模型(也称为S函数或者超元)，从而允许出于保护知识产权的目的而隐藏设计的细节，而又使仿真能够使用所有有关设计数据、因此尽可能准确。
[0138] 本发明寻求通过计算在子系统之间的交互来考虑以使用当前工具而不可能的方式跨产品延伸的影响。机电传动系变得越来越普遍而具有高度地集成的电机和变速箱。当在电机中生成动力时，转子受到失衡磁引力并且任何轴杆偏转或者偏离将造成离心拉动转子。这些力(加上力矩)和偏转(加上未对准)在计算轴承上的负荷、因此计算轴承寿命以及齿轮应力、寿命、噪声和效率时是重要的。也影响电机中的气隙，该气隙影响电机效率。
[0139] 本发明允许定义变速箱和电机为单个系统，这些故障模式可以从该系统来调查。可以推导适当数学模型用于计算所有力和偏转。齿轮分离力、轴承和外壳刚度以及转子失衡磁引力都被组合成单个系统计算，该系统计算导致计算轴承负荷和未对准、齿轮未对准、轴杆偏转、外壳偏转和气隙减少。
[0140] 一个或者多个故障模式包括为完整变速箱和电机系统而不是分离子组件而计算的自然频率和模式形状(特征矢量和特征频率)，并且这包括在转子上的失衡的磁引力，该磁引力对于电机的给定的速度和转矩条件而被线性化和表示为负的刚度。其它非线性方面也被线性化——针对给定的负荷条件计算齿轮啮合刚度和滚轴轴承的刚度并且假设它们为线性。在单个系统计算中包括所有这些。
[0141] 由此，针对完整变速箱和电机系统计算动态响应和声辐射，从而考虑齿轮传输错误、电机转矩脉动和电磁力，并且计算如在前文段落中描述的特征矢量和特征频率公式表示的响应。
[0142] 本发明也能够与失衡的磁引力、失衡质量体、转子轴杆的偏转和部件制造容差一起使用变速箱和电机系统的动态仿真，以计算在操作条件中的电机的气隙减少。这可以用来定义用于电机的最适当气隙、因此优化电机效率。
[0143] 本发明也关注电机、变速箱或者机电传动系的概念选择阶段并且提供对概念可能在无外壳设计的阶段对来自转矩脉动或者传输错误的激励有最多或者最少响应的认识。
[0144] 技术调查已经表明所计算的电机、变速箱或者机电传动系系统的动态响应根据是使用概念模型(而滚轴轴承的外滚道保持刚性)还是使用详细模型(滚轴轴承的外滚道附接到外壳的质量/刚度表示)而颇为不同。
[0145] 本发明提供如下功能，通过该功能，附加外壳柔性被应用于滚轴轴承中的每个滚轴轴承的外滚道，从而给予完全外壳设计的柔性的近似表示。这一柔性的系数通常是从检查来自其它相似产品的完成的外壳设计的有限元表示的刚度矩阵的主对角项而推导的。
[0146] 然后运行动态仿真，而系统对来自转矩脉动和/或传输错误的激励做出响应。技术调查已经表明所计算的这一修改的模型的动态响应比对于其中滚轴轴承的外滚道保持刚性的常规概念模型更与完成的详细模型的动态响应接近得多。
[0147] 然而，这一仿真未给予声辐射值，因为没有用于辐射噪声的外壳结构。因此，本发明使用创新分析，其中在轴承上的动态负荷然后被用来计算通过轴承外滚道而传输的振动动力以给予哪个系统对来自转矩脉动和/或传输错误的激励具有最大/最小动态响应的指示。
[0148] 这可以对于每个轴承来个别地执行，或者可以跨所有轴承将动力求和。可以以个别速度和负荷评估动力或者跨所有操作点对动力求和。可以响应于计算(预测)的值或者转矩脉动或者传输错误，或者响应于转矩脉动或者传输错误的标称单位值，计算动力。
[0149] 工业实用性
[0150] 本发明还提供用于针对齿轮的应力、耐久性、噪声和效率而对齿轮进行分析的可能性。同时齿轮必须在可用空间内相配并且也可制造。在计算针对齿轮的应力(对于耐久性)、效率和生成的振动时，这也考虑齿轮的可制造性。具体而言，在包中包括用于齿轮的切割工具的形状、并且具体为滚刀、成形器或者铣刀的突起，并且这允许工程师在单个环境中与封装、重量、效率、耐久性和噪声一起评估这些影响。
[0151] 本发明允许评估机电传动系的机械工程性能的许多方面。这些包括：车辆/产品性能、能量/燃料效率/经济性、废气排放、成本、结构偏转和应力、耐久性和疲劳、可制造性、热性能、可听噪声生成、由于动态输入负荷所致的机械故障、对用户和/或环境不利的动态负荷生成、速度和速率改变以及与控制系统的令人满意的交互。
[0152] 根本创新是在与部件和子系统的3D几何形状的评估相同的时间和相同的包中执行所有这些仿真方面，其可以被用于校验部件、子系统和传动系的封装以及重量计算。
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