一、引言

在新能源电驱传动系统开发中，齿轮NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能已经成为评价传动系统品质的核心指标。齿轮啸叫噪声主要由啮合刚度周期性波动、动态传动误差激励产生，振动经由轴、轴承、壳体等路径向外辐射噪声；传统开发模式大多依赖工程师经验试凑，采用 “仿真-样机试制-台架整改”迭代流程，开发周期长、成本高，同时齿轮降噪优化属于典型多目标优化问题，重合度提升、NVH指标优化、应力控制、安全系数约束等指标之间存在相互制衡关系，依靠人工试算难以获得全局最优设计方案。

更让人头疼的是，目前市面上主流的齿轮仿真软件大多面向单工况性能校核，缺少专门针对NVH的多目标优化模块；缺少面向NVH的专用多目标多工况优化求解模块，而如果要进行系统级噪声评估，往往需要在齿轮动力学软件、有限元软件、声学软件之间来回倒腾数据，操作繁琐不说，数据传递过程易出现格式兼容、信息丢失等问题。

为解决上述痛点，公司自主研发齿轮NVH多目标优化软件，集成齿轮参数多目标优化、齿轮性能参数校核、传函法齿轮噪声计算三大核心功能模块，实现从齿轮宏观参数正向优化、基础性能校核到基于传函法的系统级噪声快速预测的一体化分析流程。软件基于NSGAII等多目标优化算法自动求解Pareto最优解集，配套可视化散点分析工具，同时支持外部轴承力、结构传递函数文件导入，完成齿轮系统阶次噪声的快速计算与评估，减少多软件联合仿真的操作门槛，支撑齿轮传动系统NVH正向设计，缩短传动总成开发周期。

二、软件主要功能介绍及优势

本软件整体划分为三大功能板块：齿轮NVH多目标优化、齿轮性能参数校核、齿轮传函法噪声计算，各模块界面功能与软件整体优势说明如下：

2.1齿轮NVH多目标优化

齿轮NVH多目标优化模块为软件核心正向优化模块，界面分为优化变量设置区、优化目标与约束设置区、优化算法与工况设置区、优化散点图可视化结果区、性能参数筛选区。

齿轮NVH多目标优化模块示意图

软件在该模块的操作步骤如下：

第一步：设置变量范围。

用户可自定义一、二级斜齿轮宏观设计变量，包括齿数、法向模数、压力角、螺旋角、齿宽等参数。工程师可基于经验给定相关参数大致寻优范围，设置各变量取值上下限及计算步长。

第二步：设置优化目标及约束条件。

软件中内置了多种参数优化目标。如各级齿轮端面重合度、轴向重合度、总重合度最大化，用于改善齿轮NVH特性；或基于强度耐久指标，设置各级齿轮接触安全系数，弯曲安全系数为优化选项。

同时也可将重合度，中心距，安全系数等参数定义为约束条件。方便灵活地校核工程师所关注的具体参数或设计目标。

第三步：设置工况。

工程师可基于具体项目载荷谱设置相关工况，比如转速工况、扭矩或输入功率等参数。

第四步：优化算法参数设置

软件内置NSGAII、NSGAIII等多目标遗传优化算法，可配置种群规模、进化代数、交叉变异概率，给定输入转速、扭矩等工况后自动批量计算，求解Pareto非支配最优解集。

第五步：提交计算及方案筛选。

优化完成后自动生成多组优化方案变量及优化结果的映射散点图，初选方案较多（基于设置参数变量及步长）。可通过性能参数筛选，进一步筛选符合条件的方案。优化散点图直观展示重合度、接触应力、安全系数之间的权衡关系。支持方案筛选、数据导出，辅助工程师快速优选兼顾NVH性能与强度的齿轮宏观参数方案。把多目标寻优交给算法，工程师主要做最后的“选择题”。

齿轮NVH性能校核模块示意图

2.2齿轮性能参数校核

该模块用于对选定齿轮设计方案进行详细几何与力学性能校核，界面包含齿轮基础参数输入面板、公差与材料润滑参数配置面板、工况输入面板、计算结果预览表格。

工程师录入两级齿轮完整几何参数、变位系数、公差等级、润滑材料属性、输入扭矩转速后，一键完成齿轮几何参数求解与承载性能计算，输出分度圆直径、端面压力角、当量齿数、接触应力、弯曲应力、安全系数等全套指标，计算结果支持Excel、JSON格式导出，用于验证优化得到的齿轮方案是否满足几何干涉、强度耐久基础设计要求，承接多目标优化模块的方案验证工作，实现 “优化-校核” 闭环。

齿轮NVH性能校核模块示意图

2.3齿轮传函法噪声计算

基于传函法的齿轮噪声快速计算与评估，其核心思想是将复杂的齿轮箱辐射噪声问题分解为“激励源”与“传递路径”两个环节。该方法首先建立齿轮-箱体-基础耦合系统的阻抗模型，用以准确计算不同工况下箱体所承受的轴承动态激励载荷；随后，通过建立箱体的声振耦合边界元模型，提取其噪声传递函数（Noise Transfer Function, NTF）。NTF本质上是描述箱体表面振动与远场辐射声压之间关系的系统固有属性。该方法的最大优势在于计算效率的显著提升。仅需提取一次箱体的NTF，即可快速计算不同转速、不同载荷等多种工况下的辐射噪声。最终，通过将各工况下的激励力与预先提取的NTF相乘，即可快速获得场点声压级，实现齿轮噪声的高效评估。这种“一次建模、多次计算”的策略，在保证计算精度的前提下，大幅缩短了多工况噪声评估的周期，为齿轮传动系统的低噪声设计与优化提供了有力的工程分析工具。“一次提取，多次复用”——这是传函法最大的效率优势。不再需要为每一个转速、载荷工况重复建立全耦合有限元模型，大幅压缩多工况噪声评估周期。

该模块具体支持：

（1）导入外部结构传函文件（如Actran计算的PLT格式）、测试传函文件或者其它软件计算的传函文件；

（2）导入轴承力载荷CSV数据；

（3）批量加载多组传递函数与载荷数据；

（4）自动输出：噪声传函平均曲线、轴承力幅值曲线、指定阶次噪声随转速变化曲线；

（5）通过阶次噪声曲线，工程师可以快速识别啸叫突出阶次和共振转速区间，定位问题精准高效。全部曲线及底层数据均可一键导出Excel报表，打通“齿轮激励→结构传递→声学响应”的完整仿真链路。

基于传函法的齿轮噪声快速计算模块示意图

基于传函法的齿轮噪声快速计算与评估，其核心优势在于计算效率的显著提升，但前提是必须保证其预测结果具备足够的工程精度。为验证本软件中传函法计算模块的准确性，我们以同一齿轮箱为对象，分别采用传函法（基于NTF与轴承力合成）和传统有限元法进行了多转速工况的噪声计算对比。

下图展示了两种方法在100Hz~1500Hz频率范围内、指定场点处的声压级对比曲线。从整体趋势来看，传函法计算结果（红色曲线）与有限元法（蓝色曲线）在各阶次啮合频率及其倍频处均表现出良好的一致性，充分说明基于传函法能够准确反映箱体结构的声传递特性。总体而言，该对比结果有力验证了本软件传函法模块的计算精度，也证实了“一次建模、多次计算”策略在实际工程中的可行性——在保证核心诊断精度的前提下，将多工况噪声评估周期从天级压缩至秒级，为齿轮传动系统低噪声正向设计提供了兼具效率与可信度的解决方案。

基于传函法与有限元法的齿轮阶次噪声计算结果对比

2.4软件主要优势

一体化集成，流程连贯：将齿轮宏观多目标优化、基础性能校核、传函法噪声预测集成于单一平台，替代多款商用软件联合仿真模式，避免不同软件之间繁琐的数据转换，实现从正向参数寻优到噪声结果评估的完整闭环。

面向NVH专用多目标寻优：以提升重合度等NVH关键指标作为优化目标，内置成熟多目标遗传算法，自动生成Pareto解集与可视化散点云图，直观展现各性能指标之间的权衡关系，降低人工试算工作量，更容易获得稳健降噪方案。

基于传函法的齿轮噪声快速计算与评估：基于传递函数法的齿轮噪声快速计算与评估，本质上是一种解耦“激励源”与“系统响应”的高效预测技术。该方法利用线性系统的叠加原理，将齿轮啮合产生的动态激励力作为输入，结合齿轮箱结构的频率响应函数（FRF），通过频域内的乘积运算快速求解出箱体的表面振动速度或辐射声功率。相较于传统的全耦合有限元分析或样机试验，传函法允许工程师在设计阶段仅通过一次结构模态测试或仿真获取传递特性，即可针对不同工况和激励源快速评估噪声水平，极大地缩短了研发周期，是齿轮传动系统低噪声优化设计的关键手段。

灵活可配置，适配两级齿轮传动：优化变量、优化目标、约束条件均可自定义勾选配置，支持两级齿轮传动方案分析，适配乘用车、商用车等电驱减速器开发场景。

结果可视化，数据可追溯导出：优化散点图、噪声频谱、阶次曲线可视化展示，全部计算日志、性能参数、噪声仿真数据支持Excel/JSON导出，便于报告编制、方案对比存档。