齿轮箱是一种广泛应用于工业机械和运输设备中的传动装置，其主要作用是将输入的动力转化成输出的力和扭矩，实现机械系统的运动控制。
齿轮箱在实际使用中常常会遇到如噪声、振动、过热、传动效率低等一系列问题，本文将探讨齿轮箱结构力学分析和润滑分析的仿真优化方法，从而为工程师和设计师提供有益的参考和指导。
齿轮箱润滑分析
齿轮箱结构力学分析
齿轮箱力学分析主要是针对机械结构进行监测，分析其可能出现的结构变形、裂纹、疲劳损伤、材料老化等问题。通过对结构的监测与分析，可以及时发现并解决结构问题，提高结构的可靠性和使用寿命。
齿轮箱强度及刚度分析
强度及刚度分析是齿轮箱力学分析的重要内容，主要研究齿轮、轴、键、吊座、轴承座、箱体等结构部件在不同齿轮参数（齿高、齿宽、齿根圆半径等）及不同工况（起动、反向、加速、减速、负载等）下的承载能力及变形情况。
各壳体应力云图
齿轮及壳体拓扑优化设计
通过对齿轮及壳体结构进行优化设计，在保证传递运动和力的前提下，获得更高的局部强度和刚度，并实现结构减重。
基于拓扑优化结果，还可以利用形状优化和尺寸优化等手段对模型进一步优化，进一步提高结构的性能。
齿轮循环对称约束优化（左）及吊座优化前后优化应力云图（右）
分析齿形及壳体结构对振动噪声的影响
齿轮箱在运行中会产生一定的振动和噪声，通过仿真分析齿形及壳体结构对振动噪声的影响。
对齿轮箱壳体进行频率及模态响应分析，获得位移频率响应的峰值点，避免结构发生整体或局部共振，通过结构优化或合理布置阻尼材料的方式改善振动特性，降低齿轮箱内部噪声。
模态分析中振动比较大的4个节点位置分布图
齿轮箱润滑分析
高速轴承和齿轮啮合面的烧蚀、剥落、点蚀等问题，通常都是由局部润滑不足造成的。
润滑分析主要是针对齿轮箱的润滑系统及润滑过程进行监测，分析润滑油的密度、粘度、油量，以及混入的空气泡对传动系统效率的影响，解决传动系统润滑油的油量分配问题，并提升冷却效果等。
分析壳体、齿轮和轴承的温度分布情况
通过分析齿轮箱壳体、齿轮和轴承润滑过程的温度分布情况，基于热分析结果，能够识别温度较高区域，从而注意该区域的冷却操作，提高齿轮箱的性能和寿命。
此外，由于温升引发的热由温升引发的热应力是分析齿轮与齿轮轴，乃至轴承与壳体的热疲劳问题的必要计算条件。
齿轮及轴承的温度分布
分析润滑关键区域的油量分布情况
通过流体仿真分析齿轮箱内的油量分布情况，识别缺油区域，分析润滑关键区域的油量分布情况，确定润滑油的供油量和油液更新速度、是否存在困油问题等，以保证润滑效果。
图中箭头所指的中间轴的这一侧的轴承端部，几乎没有油分布，从而导致了这一端的轴承温度较高。
轴承端部油量及温度分布
分析搅油损失扭矩及功率值
在中低转速范围内，飞溅润滑是其最常用的润滑方式。浸入润滑油中的齿轮在工作过程中会产生搅油功率损失。降低啮合齿轮的搅油功率损失可以显著减少变速器的功率损失，提高变速器效率，减少变速器的产热量，提高工作寿命。
通过仿真获得润滑油在的流动状态和速度场，分析润滑油在齿轮箱内的涡旋现象及涡旋间的相互作用情况，计算搅油损失扭矩及功率值。
搅油损失分析