概述 

在電動化趨勢下，由于電機取代了發(fā)動機，整車噪聲沒有了發(fā)動機的貢獻，使得電機和減速器的噪聲顯得越來越突出，也逐漸被關(guān)注，減振降噪設(shè)計也成為企業(yè)主要關(guān)心的問題之一。而要對電驅(qū)動系統(tǒng)進行振動噪聲的仿真分析，首先要對電驅(qū)動系統(tǒng)進行動力學仿真分析，獲取電機的電磁力以及減速器齒輪嚙合力傳遞給電驅(qū)動總成殼體的激振力，然后將殼體激振力作為邊界載荷輸入，進行NVH仿真分析。

在混合動力和電動車輛的電驅(qū)動動力系統(tǒng)中，電機和齒輪的嘯叫噪聲尤為突出。這是由于缺少內(nèi)燃機來掩蓋噪聲。電機嘯叫聲來自電機電磁力，而齒輪嘯叫聲源于齒輪嚙合循環(huán)期間剛度的變化，這由齒輪幾何結(jié)構(gòu)和輪齒之間的接觸行為定義。這些激勵下動力總成的結(jié)構(gòu)響應(yīng)會導(dǎo)致過度噪聲。

鑒于此，西門子工業(yè)軟件的開發(fā)團隊提供了完整的電驅(qū)動系統(tǒng)動力學仿真分析解決方案：

1、電機建模與仿真分析

利用Simcenter Motorsolve軟件快速建立基于模板的參數(shù)化電機模型，可以快速地進行性能仿真以便獲取反電動勢、電流、轉(zhuǎn)矩、效率圖等，也可以進行動力學仿真分析以便更加精確地得到轉(zhuǎn)矩和電磁力，而且可以進一步詳細考慮分段斜槽/斜極的影響。計算得到的電磁力和力矩可以導(dǎo)出到Simcenter 3D Acoustics用于NVH仿真，也可以導(dǎo)出到Simcenter 3D Motion的電驅(qū)動總成模型中通過施加剛?cè)狁詈系碾姶帕εc減速器模型耦合，計算電磁力影響下的軸承力，從而綜合考慮電磁力和機械力的耦合作用，獲取更加精確的NVH仿真的激振力輸入。

2、減速器建模與仿真分析

利用Simcenter 3D Motion Transmission Builder軟件快速建立參數(shù)化的減速器模型，齒輪嚙合力可以精確考慮齒輪的宏觀設(shè)計參數(shù)和微觀修型參數(shù)，裝配誤差等，能夠精確模擬齒輪嚙合的時變剛度以及傳遞誤差，同時該軟件還集成了軸承模型庫，可以建立軸承模型，考慮軸承剛度和阻尼的影響，從而更加精確地獲取減速器殼體的軸承激振力。

3、電磁力與減速器模型耦合仿真

將電機模型中的電磁力導(dǎo)入到減速器模型中，從而綜合考慮電磁力和機械力的耦合作用，獲取更加精確的NVH仿真的激振力輸入。

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傳統(tǒng)的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真

圖1：傳統(tǒng)的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真流程

傳統(tǒng)的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真分析一般都是分別對電機的電磁載荷和減速器的齒輪傳動載荷進行仿真分析，如上圖仿真流程所示，分別評估電磁載荷和軸承力對電驅(qū)殼體的NVH貢獻，而無法考慮電磁力對軸承力的影響。

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電機建模與仿真分析

電機建模與仿真分析采用Simcenter Motorsolve 軟件。該軟件可以快速建立基于模板的參數(shù)化電機模型。

圖2：電磁力計算和前處理

設(shè)置好參數(shù)后，即可進行仿真分析，導(dǎo)出電磁力到Simcenter 3D 中進行前處理，得到3維網(wǎng)格映射的電磁力分布。從而進一步進行NVH仿真分析。

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減速器建模與仿真分析

利用Simcenter 3D Motion Transmission Builder軟件快速建立參數(shù)化的減速器模型，進行齒輪傳動載荷仿真分析。

圖3 ：基于Simcenter 3D Motion Transmission Builder的變速箱多體動力學建模流程

如圖3所示，在Transmission Builder當中，用戶可以從齒輪傳動系統(tǒng)的布局設(shè)置開始，參數(shù)化地定義齒輪傳動系統(tǒng)的部件，比如軸、齒輪、軸承等，并定義部件之間的連接關(guān)系，以及齒輪詳細嚙合參數(shù)。

通過一鍵式按鈕，驅(qū)動Simcenter 3D Motion建立齒輪傳動系統(tǒng)的CAD模型，并在此基礎(chǔ)上自動創(chuàng)建齒輪傳動系統(tǒng)所需的運動副、連接單元、力單元。該工具的齒輪傳動載荷計算方法可用于多種情況，包括對輪齒本身參數(shù)化研究、不對中、微觀修型、齒輪變嚙合剛度、考慮輪齒柔性和輪輻異形結(jié)構(gòu)的柔性，該方法可以保證足夠的嚙合力計算精度。

圖4：軸承載荷的瀑布圖

如圖4所示，為掃頻轉(zhuǎn)速工況下變速箱其中一個軸承的動態(tài)載荷的瀑布圖。在圖中可以看到由兩級齒輪嚙合的引起的主要階次，在主要階次旁邊能看到清晰的邊頻。這些邊頻是由于帶減重孔輪輻的結(jié)構(gòu)柔性引起的。由此可見，使用Simcenter 3D Motion Transmission Builder提供的高級齒輪嚙合算法（考慮輪齒和輪輻的柔性，齒輪為柔性體）可以精確捕捉到輪輻剛度引起的細微動態(tài)響應(yīng)。

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下一代電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真

要跟蹤嘯叫噪聲的相關(guān)影響，需要有關(guān)部件的詳細信息，例如電磁激勵、微觀幾何修型、齒輪剛度等。Simcenter 3D Motion剛?cè)狁詈系碾姶帕υ试S您在統(tǒng)一的過程中捕獲齒輪和電機的嘯叫聲。剛?cè)狁詈系碾姶帕紤]了機械和電磁的耦合效應(yīng)，以提供更精確的軸承力載荷。引起殼體表面振動的軸承力綜合考慮了電磁激勵和齒輪嚙合激勵的效應(yīng)。剛?cè)狁詈系碾姶帕υ试S您有效地將電磁負載應(yīng)用于定子柔性體，而無需附加建?；蚩紤]定子齒的附加靜態(tài)模式。全新的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真流程如下圖所示：

圖5：全新的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真流程

全新的基于多體動力學的剛?cè)狁詈系碾姶帕Ψ抡娣治隽鞒倘缦卤硭荆?/span>

表1：剛?cè)狁詈系碾姶帕Ψ抡媪鞒?/span>

下圖是Simcenter 3D Motion中創(chuàng)建的剛?cè)狁詈系碾姶帕Α?/span>

圖6：Simcenter 3D Motion中創(chuàng)建剛?cè)狁詈想姶帕?/span>

下圖是仿真結(jié)果實例，可以看出，當考慮剛?cè)狁詈系碾姶帕Φ挠绊憰r，從軸承力的瀑布云圖里面可以清楚地捕捉到電機電磁力的階次，從而清晰地反映電磁力對軸承力的影響效應(yīng)。

圖7：剛?cè)狁詈系碾姶帕S承力的影響效應(yīng)

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總結(jié)

西門子工業(yè)軟件提供完整的電驅(qū)動系統(tǒng)動力學仿真分析解決方案，包括電機建模仿真工具Simcenter Mortorsolve，減速器建模仿真工具Simcenter 3D Motion Transmission Builder。同時開發(fā)了全新的剛?cè)狁詈想姶帕Ψ抡娣治龇椒?，使得將電機模型中的電磁力導(dǎo)入到減速器模型中，從而綜合考慮電磁力和機械力的耦合作用，獲取更加精確的NVH仿真的激振力輸入成為可能。而且通過Simcenter 3D 仿真工具平臺，可以進一步方便地基于獲取的激振力進行NVH仿真分析。Simcenter工程咨詢與服務(wù)將幫助您快速地應(yīng)用西門子工業(yè)軟件的一整套電驅(qū)動系統(tǒng)NVH仿真解決方案，從而解決電驅(qū)動系統(tǒng)總成設(shè)計研發(fā)中的NVH問題。