摘要 

以某三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，為了改善其NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能，從結(jié)構(gòu)傳遞路徑的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。首先，利用解析法、頻率定位法和板件貢獻(xiàn)量分析法等方法，識(shí)別出對(duì)電驅(qū)總成NVH 貢獻(xiàn)量最高的薄弱部件；然后，以提升控制器蓋板（NVH 貢獻(xiàn)量最高的薄弱部件）的模態(tài)頻率為優(yōu)化目標(biāo)，以體積分?jǐn)?shù)為約束，對(duì)其材料的分布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的蓋板各階模態(tài)頻率均有所提升，其首階模態(tài)提升率達(dá)到34%，單位激勵(lì)下的聲功率級(jí)降低2～7 dB。最后，對(duì)優(yōu)化蓋板的電驅(qū)總成進(jìn)行了NVH臺(tái)架性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，與原電驅(qū)動(dòng)總成相比，優(yōu)化蓋板的電驅(qū)動(dòng)總成的總聲壓級(jí)在不同頻率范圍內(nèi)均有一定的降低，尤其中高頻段的降低效果更顯著，降低2～4 dB。

關(guān)鍵詞 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) NVH 結(jié)構(gòu)傳遞路徑 拓?fù)鋬?yōu)化

引言

隨著純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注。其中，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于體積小、集成度高，使其在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中脫穎而出[1-2]。三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在帶來便利的同時(shí)，也造成了一些困擾。比如，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身具有的中高頻特性以及缺少了發(fā)動(dòng)機(jī)的“掩蔽”效應(yīng)，使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH（Noise，Vibration，Harshness）易被駕駛?cè)藛T所感知，從而影響駕駛體驗(yàn)。因此，對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH也提出了更高的要求。

劉小華等[3-5]主要研究了電動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)NVH 性能的影響，通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電動(dòng)機(jī)控制策略等方法，使電動(dòng)機(jī)電磁激勵(lì)得到降低，從而優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)NVH 的性能。徐忠四等[6-8]著重于優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的減速器齒輪激勵(lì)，通過齒輪微觀修形等方式，降低齒輪嚙合傳遞誤差，從而改善齒輪嘯叫。羅賢能等[9-10]考慮了電動(dòng)機(jī)激勵(lì)與齒輪激勵(lì)，通過對(duì)兩者的綜合優(yōu)化，使整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH 性能得到極大改進(jìn)。以上研究僅針對(duì)激勵(lì)源部分進(jìn)行了研究和優(yōu)化，未涉及殼體傳遞路徑的優(yōu)化。

對(duì)于殼體優(yōu)化，研究多集中在傳統(tǒng)變速箱殼體。趙敏等[11]基于工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)殼體局部進(jìn)行加筋、增厚等處理，使殼體的剛度得到提高，但該措施對(duì)NVH的改善效果往往比較有限。彭顯昌等[12-13]運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)變速箱殼體進(jìn)行優(yōu)化，但其優(yōu)化目標(biāo)不是NVH 性能而是對(duì)殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以達(dá)到減重的目的。目前，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)多集中在剛度模態(tài)和動(dòng)力學(xué)層面，振動(dòng)聲學(xué)層面的優(yōu)化研究和論證仍然較少。另外，由于三合一電驅(qū)動(dòng)殼體高度集成化，引入了薄壁大平板結(jié)構(gòu)，這些薄壁平板結(jié)構(gòu)面積大、剛度低，可能會(huì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)NVH的傳遞路徑產(chǎn)生重要影響。因此，電驅(qū)動(dòng)NVH傳遞路徑有待進(jìn)一步深入研究。

針對(duì)上述問題，本文從電驅(qū)動(dòng)總成的殼體傳遞路徑角度出發(fā)，創(chuàng)新性地、更深層次地將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH 優(yōu)化問題上。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)控制器蓋板等薄壁平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，改善和優(yōu)化材料分布，提升其結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率；并從振動(dòng)和聲學(xué)的NVH 指標(biāo)方面，進(jìn)行相應(yīng)的仿真和測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證，從而更加全面地論證了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH性能的改善作用。

三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成了永磁同步電動(dòng)機(jī)、兩級(jí)齒輪傳動(dòng)減速器和電動(dòng)機(jī)控制器（Power Electronics for Electric Drivetrains and Batteries，PEB）等部件，相應(yīng)地，其殼體總成也包含電動(dòng)機(jī)集成殼體、減速器殼體、PEB 殼體以及電動(dòng)機(jī)端蓋、觀察窗蓋板等附件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 某三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)殼體結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Shell structure of a three-in-one electric drive system

由圖1可以看出，與分體式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了擁有電動(dòng)機(jī)殼體、減速器殼體等主殼體外，還增加了PEB 蓋板、觀察窗蓋板等薄壁平板結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有面積大、支撐剛度弱等特點(diǎn)，可能會(huì)改變?nèi)弦浑婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞路徑，惡化該系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲。因此，薄壁平板結(jié)構(gòu)成為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH 性能優(yōu)化重點(diǎn)關(guān)注的新對(duì)象。

為了從傳遞路徑的角度對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH 性能進(jìn)行優(yōu)化，需要根據(jù)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際的NVH，識(shí)別出對(duì)振動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)量最高的薄弱部件，進(jìn)而對(duì)薄弱部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

2.1 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測試

為了識(shí)別出對(duì)NVH 貢獻(xiàn)量高的薄弱部件，首先，對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行NVH 性能測試，確定噪聲幅值較大的頻率段。

圖2 為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)矩下的聲壓級(jí)瀑布圖。由圖2可以看出，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在較明顯的共振帶，比如頻率段（450，530）Hz和（1 500，1 800）Hz。

圖2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試聲壓級(jí)瀑布圖Fig.2 Electric drive system test sound pressure level waterfall diagram

然后，采用瀑布圖階次切片法，進(jìn)一步對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共振帶進(jìn)行分析。以第一級(jí)檔位齒輪階次28階為例，結(jié)果如圖3所示。

圖3 聲壓級(jí)階次切片-齒輪28階次Fig.3 Sound pressure level step slicing-gear 28 steps

由圖3可以看出，在共振頻帶內(nèi)，階次切片的聲壓級(jí)曲線也存在明顯的聲壓級(jí)峰值，比如頻率513 Hz、1 505 Hz 和1 867 Hz。這是因?yàn)楣舱裨黾恿苏駝?dòng)能量，使得電動(dòng)機(jī)和齒輪相關(guān)階次的振動(dòng)噪聲量級(jí)明顯增大。因此，為了識(shí)別出與共振帶頻率相關(guān)聯(lián)且對(duì)NVH 貢獻(xiàn)量高的結(jié)構(gòu)部件，需要對(duì)共振現(xiàn)象進(jìn)行診斷。

2.2 結(jié)構(gòu)路徑的NVH貢獻(xiàn)量識(shí)別

2.2.1 噪聲輻射效率理論分析

殼體作為振動(dòng)噪聲的傳遞路徑，主要是以板件振動(dòng)的形式向外輻射噪聲。對(duì)于簡支矩形板件，其噪聲輻射效率解析式為[14]

式中，a、b 分別為板件的長度和寬度；k 為波數(shù)；θ為指向空中某測點(diǎn)的矢量與板件法向的夾角；φ為矩形板中某一點(diǎn)聲源對(duì)原點(diǎn)的矢量與板件長度方向的夾角；i、j分別為沿著長和寬方向的模態(tài)數(shù)。

由式（1）可以看出，板件的輻射效率與板的面積S 成正比（S=ab）。在三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的殼體結(jié)構(gòu)中，由于集成殼體和減速器殼體等主殼體加強(qiáng)筋特征較多，且被分割成多個(gè)面積很小的區(qū)域，導(dǎo)致其聲輻射效率得到降低。而電動(dòng)機(jī)控制器蓋板等部件是一種面積較大和噪聲輻射效率較高的平板件，因此，會(huì)對(duì)整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供較高的NVH貢獻(xiàn)量。

2.2.2 頻率定位法分析

對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)仿真和試驗(yàn)，獲取其模態(tài)頻率和振型信息；并通過頻率分析法，定位出與NVH 測試數(shù)據(jù)中共振頻帶所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)路徑。圖4 為模態(tài)測試現(xiàn)場圖，表1 為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)前6階模態(tài)頻率仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)前6階模態(tài)頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of simulation and test results of the first 6 modes frequency of the electric drive system

圖4 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自由模態(tài)測試Fig.4 Free mode test of the electric drive system

由表1可以看出：

1）模態(tài)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分接近，多數(shù)模態(tài)階次的誤差范圍絕對(duì)值在4%以內(nèi)，說明仿真模型的精度較高，可支持后續(xù)的NVH仿真分析。

2）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的前2 階模態(tài)頻率與第一個(gè)共振帶（450，530）Hz 接近或重合，其中，前2 階模態(tài)振型主要體現(xiàn)為PEB 上蓋板的局部模態(tài)，振型分別如圖5（a）和圖5（b）所示；可以認(rèn)為，此共振帶的產(chǎn)生主要與PEB上蓋板有關(guān)。

圖5 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)仿真結(jié)果示意圖Fig.5 Schematic diagram of modal simulation results of the 3-in-1 electric drive system

3）同理，通過頻率分析法定位到與共振帶（1 500，1 800）Hz相關(guān)聯(lián)的部件為PEB上蓋板和觀察窗蓋板，分別如圖5（c）和圖5（d）所示。實(shí)際上，PEB上蓋板在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)均存在大量模態(tài)及振型。

2.2.3 電驅(qū)總成板件貢獻(xiàn)量分析

為了識(shí)別出對(duì)聲傳函貢獻(xiàn)量最高且薄弱的部件，將三合一電驅(qū)動(dòng)總成的殼體細(xì)分成8個(gè)板塊，即PEB上蓋板（PEBCOVER）、PEB 下殼體（PEBXIA）、觀察窗蓋板（INSCOVER）、電動(dòng)機(jī)端蓋（TMCOVER）、電動(dòng)機(jī)殼體后側(cè)（TMHOU）、電動(dòng)機(jī)殼體前側(cè)（TMQIAN）、減速器殼體（TR）、差速器殼體（DIFF），劃分結(jié)果如圖6 所示。然后，計(jì)算單位激勵(lì)作用下各板塊對(duì)聲傳函的貢獻(xiàn)量，進(jìn)而確定對(duì)聲傳函貢獻(xiàn)量較突出的板塊。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 電驅(qū)總成板塊劃分Fig.6 Division of the electric drive assembly plate

圖7 聲傳函板件貢獻(xiàn)量計(jì)算Fig.7 Contribution calculation of the acoustic transmission plate

由圖7可以看出，PEB上蓋板（PEBCOVER）在較寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)聲傳函的貢獻(xiàn)量較突出，同時(shí)也是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH最重要的結(jié)構(gòu)傳遞路徑。

由上述不同層面的討論可知，對(duì)于三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，PEB 上蓋板等薄壁平板結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：1）面積大，導(dǎo)致PEB 蓋板聲輻射效率較高；2）跨度大，導(dǎo)致PEB 蓋板結(jié)構(gòu)支撐剛度偏弱；3）極易產(chǎn)生局部模態(tài)振型，引發(fā)共振風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而惡化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲性能。因此，若從改善傳遞路徑的角度來優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)總成的NVH 性能，應(yīng)首選PEB 上蓋板等薄壁平板結(jié)構(gòu)，通過提升其剛度和模態(tài)頻率，以減小共振風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到優(yōu)化振動(dòng)噪聲性能的目的。

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化理論分析

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要方法，其基本思想是：將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求最優(yōu)的材料分布問題；在適當(dāng)?shù)募s束條件下，充分利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行非線性規(guī)劃，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出滿足條件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

固體各向同性材料懲罰法（Solid Isotropic Microstructures with Penalization，SIMP）是拓?fù)鋬?yōu)化中最常用的方法，其原理是：首先，將單元的材料密度范圍設(shè)置在（0，1）；然后，引入懲罰因子，約束中間密度值單元向兩端逼近，使連續(xù)的拓?fù)鋬?yōu)化模型趨于離散模型。假設(shè)模型材料為各向同性，其彈性模量隨單元密度值變化的關(guān)系式可表示為[15-16]式中，E0、E(ρ)分別為優(yōu)化前、后的彈性模量；K0、K(ρ)分別為優(yōu)化前、后的剛度矩陣；P 為懲罰因子且P>1；ρ為單元的材料密度；ρmin為單元材料密度最小值。

在基于模態(tài)分析的拓?fù)鋬?yōu)化過程中，以設(shè)計(jì)區(qū)域單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，最大化結(jié)構(gòu)的最小特征值為優(yōu)化目標(biāo)，體積比為基本約束條件。此時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型[17-18]可表示為

式中，X 為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量；Ω 為整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)區(qū)域；[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣；[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；{Φe}為與第e 階特征值λe 相關(guān)的特征向量；e 為結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)，e=1，2，…，N，N 為系統(tǒng)最大自由度數(shù)；f 為系統(tǒng)單元數(shù)，f=1，2，…，n，n 為單元總數(shù)；Vf為第f個(gè)單元體積；Vˉ為設(shè)定的材料體積值。

與表達(dá)性問卷(production questionnaires)相比，多項(xiàng)選擇問卷降低了任務(wù)難度，減少了被試的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，因?yàn)楸辉噧H需衡量一組數(shù)量非常有限的選項(xiàng)，從中選擇一個(gè)，不需展開沒邊際的記憶搜索以生成一個(gè)合適的話語(Kasper,2000:330-331)。

3.2 PEB蓋板拓?fù)鋬?yōu)化

對(duì)PEB 蓋板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，存在以下難點(diǎn)：1）PEB 蓋板的壁較薄，導(dǎo)致可設(shè)計(jì)域厚度及加強(qiáng)筋高度較小，難以形成合理有效的加強(qiáng)筋形式；2）PEB 蓋板平板區(qū)域較大，導(dǎo)致零件整體結(jié)構(gòu)剛度偏低，提升較為困難。因此，需要合理設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化的參數(shù)，并對(duì)效果進(jìn)行多層次驗(yàn)證。

3.2.1 拓?fù)鋬?yōu)化模型的構(gòu)建

PEB 上蓋板的設(shè)計(jì)方案為壓鑄件形式，其加強(qiáng)筋初始設(shè)計(jì)方案如圖8所示。

圖8 PEB蓋板初始設(shè)計(jì)方案Fig.8 Initial design of the PEB cover plate

為了構(gòu)建PEB 上蓋板拓?fù)鋬?yōu)化的有限元模型，首先，對(duì)加強(qiáng)筋的可設(shè)置區(qū)域進(jìn)行填充，得到蓋板的毛坯結(jié)構(gòu)；其次，將其劃分成設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域，如圖9所示，其中，螺栓安裝孔及附近區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計(jì)區(qū)域（紅色部分），中部平面區(qū)域（不含基礎(chǔ)壁厚區(qū)域）為設(shè)計(jì)區(qū)域（綠色部分）；然后，分別對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域與非設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并賦予材料和屬性信息；最后，以蓋板螺栓安裝孔6自由度的全約束作為模型的邊界條件。由此初步構(gòu)建了拓?fù)鋬?yōu)化分析的有限元模型。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)的非設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)區(qū)域Fig.9 Topology optimization of non-design and design areas of blank structures

3.2.2 拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)設(shè)置

拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)的合理設(shè)置，對(duì)于正確高效地進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算和獲得有效的優(yōu)化結(jié)果十分重要。拓?fù)鋬?yōu)化過程中需要考慮的參數(shù)有：優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)、約束條件（體積比、成員尺寸、拔模、模式組等）及其他相關(guān)控制參數(shù)等。具體如下：

1）優(yōu)化變量：設(shè)計(jì)區(qū)域材料單元的密度。

2）優(yōu)化目標(biāo)：PEB蓋板第1階約束模態(tài)最高。

3）約束條件：設(shè)置最大體積比為0.6；最小、最大成員尺寸分別為7 mm 和20 mm；定義拔模方向、2平面對(duì)稱約束等。

4）參數(shù)控制：設(shè)置離散參數(shù)為4.0，全局棋盤格控制參數(shù)為1，目標(biāo)容差為0.005。

3.2.3 PEB蓋板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

通過Optistruct 求解器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化求解，計(jì)算結(jié)果表明，迭代20 次后目標(biāo)函數(shù)達(dá)到收斂狀態(tài)。圖10為目標(biāo)函數(shù)隨迭代次數(shù)變化的曲線圖。

圖10 目標(biāo)函數(shù)隨迭代次數(shù)變化曲線Fig.10 Objective function changing with the number of iterations

由圖10 可以看出，與原設(shè)計(jì)模態(tài)頻率相比，隨著迭代次數(shù)增加，1階模態(tài)頻率逐漸提升并最終穩(wěn)定在698 Hz。圖11 為拓?fù)鋬?yōu)化得到的PEB 蓋板材料密度分布云圖。

圖11 PEB蓋板材料密度分布云圖Fig.11 Density distribution nephogram of the PEB cover plate material

圖11 中，藍(lán)色為建議去除的材料，紅色為建議保留的材料，藍(lán)紅材料顏色的深淺代表建議程度的大小；其他顏色為中間密度的材料，可以根據(jù)工程實(shí)際加以取舍。根據(jù)PEB 蓋板材料密度分布云圖的建議，對(duì)蓋板毛坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到PEB 蓋板拓?fù)鋬?yōu)化的初步模型方案，如圖12所示。

圖12 PEB蓋板拓?fù)鋬?yōu)化初步方案Fig.12 Preliminary topology optimization scheme of PEB cover panels

由圖12 可以看出，與PEB 蓋板初始設(shè)計(jì)方案的加強(qiáng)筋布置形式相比，拓?fù)浜蟮募訌?qiáng)筋主要分布在平板四周且靠近邊界的區(qū)域，且中部區(qū)域材料分布較少。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，若蓋板中部區(qū)域材料的分布較少，會(huì)導(dǎo)致中部區(qū)域產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)較大。

“井”字形正交筋是一種常見的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)技術(shù)，它不僅可以有效地提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度，達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的，還可以修復(fù)已有的結(jié)構(gòu)缺陷，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。所以，本文在拓?fù)鋬?yōu)化方案的基礎(chǔ)上略作調(diào)整，即在中部區(qū)域添加“井”字形加強(qiáng)筋，與周邊的加強(qiáng)筋形成連接，如圖13所示。

圖13 PEB蓋板拓?fù)鋬?yōu)化調(diào)整方案Fig.13 Topology optimization and adjustment scheme of PEB cover panels

3.2.4 拓?fù)浞桨傅淖罱K確定

為了避免結(jié)果的偶然性，在PEB 蓋板上分別選取兩個(gè)測點(diǎn)，即點(diǎn)1 和點(diǎn)2，通過對(duì)PEB 蓋板初始方案（中部無筋）和調(diào)整方案（中部加筋）在點(diǎn)1和點(diǎn)2的振動(dòng)加速度進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證中部區(qū)域加“井”字形加強(qiáng)筋的有效性和必要性。PEB 蓋板選取的兩個(gè)測點(diǎn)如圖14 所示，初始方案和調(diào)整方案在測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2處的振動(dòng)加速度對(duì)比如圖15所示。

圖14 PEB蓋板振動(dòng)加速度測點(diǎn)選取Fig.14 PEB cover plate vibration acceleration measurement point selection

圖15 不同測點(diǎn)下PEB蓋板調(diào)整方案的振動(dòng)加速度效果分析Fig.15 Vibration acceleration effect analysis of the PEB cover plate adjustment scheme at different measuring points

由圖15 可以看出，中部加筋方案的振動(dòng)加速度得到再一次降低。因此，將圖13 所示的方案作為最終的拓?fù)鋬?yōu)化方案，并對(duì)其做進(jìn)一步的效果驗(yàn)證。

4.1 模態(tài)對(duì)比驗(yàn)證

表2 所示為拓?fù)鋬?yōu)化前、后PEB 上蓋板的前6 階單體約束模態(tài)對(duì)比。

表2 拓?fù)鋬?yōu)化前、后PEB上蓋的單體約束模態(tài)對(duì)比Tab.2 Comparison of monomer constraint modes of PEB upper cover before and after topology optimization

由表2 可以看出，首階模態(tài)頻率值由初始的495 Hz 提升至664 Hz，提升率達(dá)34%，且模態(tài)頻率避開了頻率范圍為450 Hz、530 Hz 的共振帶。這是因?yàn)橥負(fù)浞桨傅募訌?qiáng)筋布局形式提升了蓋板的結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率，有助于NVH性能的改善。

4.2 聲傳函對(duì)比驗(yàn)證

通過對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成加載單位激勵(lì)，考察殼體（傳遞路徑）本身變化對(duì)噪聲輻射特性的影響，來驗(yàn)證PEB 蓋板拓?fù)鋬?yōu)化方案對(duì)NVH 的改善效果。圖16 所示為拓?fù)鋬?yōu)化前、后的電驅(qū)總成聲傳函（聲功率級(jí)）曲線對(duì)比。

圖16 拓?fù)鋬?yōu)化前、后聲傳函結(jié)果對(duì)比Fig.16 Comparison of sound transmission results before and after topology opitimization

由圖16 可以看出，與PEB 蓋板初始方案的聲功級(jí)相比，拓?fù)浞桨福ňG線）的聲功率級(jí)在絕大多數(shù)頻率下得到顯著降低，降低范圍為（2，7）dB；但存在極個(gè)別頻率點(diǎn)下的聲功率級(jí)增大的現(xiàn)象，比如頻率720 Hz和1 560 Hz。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的改變使PEB蓋板產(chǎn)生了新的模態(tài)和共振點(diǎn)。整體而言，改善效果較為明顯。

4.3 NVH臺(tái)架測試驗(yàn)證

將PEB 蓋板拓?fù)浞桨赴惭b在電驅(qū)動(dòng)總成上，并進(jìn)行NVH 測試，測試現(xiàn)場如圖17所示。試驗(yàn)在消聲室臺(tái)架上進(jìn)行，在電驅(qū)動(dòng)總成的前、后、左、右及上方等位置均布置了麥克風(fēng)傳感器，以獲取電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總聲壓級(jí)。在試驗(yàn)過程中，加載不同水平的轉(zhuǎn)矩，測試加速工況下電驅(qū)總成總聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的變化情況。圖18 所示為不同轉(zhuǎn)矩水平下，拓?fù)鋬?yōu)化前（紅線）、后（綠線）總聲壓級(jí)測試結(jié)果的對(duì)比曲線。

圖17 電驅(qū)總成消聲室NVH測試Fig.17 NVH test of the electric drive assembly anechoic chamber

圖18 不同轉(zhuǎn)矩下拓?fù)淝昂罂偮晧杭?jí)對(duì)比Fig.18 Comparison of total sound pressure level before and after topology under different torques

由圖18 可以看出，與優(yōu)化前的PEB 蓋板相比，拓?fù)鋬?yōu)化后的PEB蓋板，在不同轉(zhuǎn)矩水平下，電驅(qū)總成的總聲壓級(jí)在不同頻率范圍內(nèi)均有一定的降低，尤其中高頻段的降低效果更好，降低范圍在（2，4）dB左右。這說明，結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)的提升，可以有效降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，從而改善結(jié)構(gòu)的NVH 性能；同時(shí)也說明，傳遞路徑上結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化，對(duì)于不同激勵(lì)工況下的振動(dòng)噪聲改善具有普適性。

1）通過解析理論和板件貢獻(xiàn)量分析等方法，識(shí)別了控制器蓋板等平板結(jié)構(gòu)對(duì)三合一電驅(qū)總成NVH性能的高貢獻(xiàn)度；采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行材料的重新分布和優(yōu)化，提升了其結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率，并從振動(dòng)和噪聲等指標(biāo)方面進(jìn)行了相關(guān)的仿真和試驗(yàn)研究，全面、深入地論證了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH的改善作用。

2）與拓?fù)鋬?yōu)化前的PEB 蓋板相比，優(yōu)化后的PEB 蓋板整體強(qiáng)度和剛度得到提高，模態(tài)頻率得到提升。其中，首階模態(tài)提升率達(dá)34%，且聲功率級(jí)在絕大多數(shù)頻率下得到顯著降低，降低范圍為（2，7）dB。電驅(qū)總成試驗(yàn)結(jié)果表明，與原方案的電驅(qū)動(dòng)總成相比，安裝優(yōu)化PEB 蓋板的電驅(qū)總成的總聲壓級(jí)在不同頻率范圍內(nèi)均有一定的降低，尤其中高頻段的降低效果更顯著，降低范圍在（2，4）dB 左右。這說明，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一種改善電驅(qū)動(dòng)總成NVH性能的有效方法。