今天這篇文章來(lái)自麥格納Magna，內(nèi)容是關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)變速箱的計(jì)算，設(shè)計(jì)，模擬，驗(yàn)證。

前言：電動(dòng)牽引傳動(dòng)裝置比客車(chē)中傳統(tǒng)使用的內(nèi)燃機(jī)更安靜，然而，由電動(dòng)機(jī)和電力電子裝置組成的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置也必須針對(duì)NVH行為進(jìn)行優(yōu)化。麥格納動(dòng)力總成為相關(guān)工藝步驟的高壓驅(qū)動(dòng)和齒輪傳動(dòng)引入了一種方法。

1：聲學(xué)上的挑戰(zhàn)（AKUSTISCHE HERAUSFORDERUNGEN）

這部分在德國(guó)的小論文中基本稱(chēng)為引言（Einleitung）。作者提出汽車(chē)電動(dòng)化是一個(gè)越來(lái)越明顯的趨勢(shì)。但是由于內(nèi)燃機(jī)的取消和電動(dòng)機(jī)的引入的電動(dòng)化帶來(lái)的新的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題必須好好重視起來(lái)，因?yàn)檫@和顧客體驗(yàn)和產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。

接下來(lái)就是對(duì)整個(gè)研究?jī)?nèi)容的一個(gè)綜述。

電驅(qū)動(dòng)器的典型聲學(xué)激勵(lì)機(jī)構(gòu)是功率電子器件的電氣開(kāi)關(guān)操作，電動(dòng)機(jī)的不均勻性和變速器中的齒輪中的滾動(dòng)噪聲，這部分如從傳統(tǒng)的具有內(nèi)燃機(jī)（VKM）的驅(qū)動(dòng)器中已知的那樣。



為了獲得高度的聲學(xué)舒適度，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)支架和車(chē)輛結(jié)構(gòu)的激勵(lì)和傳輸應(yīng)該盡可能低。驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)要求是在軸承點(diǎn)處處于低振動(dòng)水平，以使聲學(xué)傳遞結(jié)構(gòu)路徑中的噪聲水平降低，要求還有就是要讓表面振動(dòng)很小，以減少通過(guò)空氣中聲音路徑的傳輸。采用絕緣材料等次要措施可能會(huì)減少聲音的傳播，但其目的應(yīng)該是盡可能降低聲音輻射。

Magna的動(dòng)力總成部門(mén)研發(fā)了一款高壓電驅(qū)，這篇文章將重點(diǎn)講講在研發(fā)過(guò)程中的NVH優(yōu)化改善問(wèn)題，其中重點(diǎn)內(nèi)容是齒輪嚙合激勵(lì)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
在設(shè)計(jì)階段，就已經(jīng)必須分析和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，例如，通過(guò)以上分析可以合理安排使用箱體加筋以及達(dá)到避免懸臂質(zhì)量堆積的目的。盡管電磁電路的設(shè)計(jì)側(cè)重于關(guān)注性能和效率，但也應(yīng)該考慮到設(shè)備的噪聲性能。計(jì)算過(guò)的非均勻磁場(chǎng)力將被用作NVH模擬的輸入量。

由于齒輪的滾動(dòng)是周期性不均勻的過(guò)程，所以在齒輪之間產(chǎn)生可變的耦合剛度。這些數(shù)據(jù)被認(rèn)為是NVH模擬中作為第二種激勵(lì)機(jī)制。從分析中得到的結(jié)構(gòu)改進(jìn)將在原型機(jī)的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用實(shí)施。原型機(jī)將在一個(gè)特殊的聲學(xué)測(cè)試臺(tái)上測(cè)量其N(xiāo)VH行為。這些測(cè)試結(jié)果有助于進(jìn)一步改進(jìn)組件，以及將其與模擬結(jié)果進(jìn)行比較的作用。

2：齒輪嚙合設(shè)計(jì)（VERZAHNUNGSAUSLEGUNG）

齒輪嚙合的設(shè)計(jì)將按如下步驟一步一步的進(jìn)行。在第一步中，根據(jù)所定義的齒輪拓?fù)湟约捌渌吔鐥l件，如目標(biāo)齒輪比和安裝空間，選擇最佳齒數(shù)組合。這里特別注意電機(jī)的齒嚙合階次數(shù)和勵(lì)磁階次數(shù)的分離。設(shè)計(jì)應(yīng)該避免今后工作過(guò)程中的粗糙聲現(xiàn)象和波動(dòng)現(xiàn)象。利用現(xiàn)在預(yù)選的齒數(shù)可以開(kāi)始其宏觀幾何尺寸定義。

對(duì)此需要從負(fù)載能力，效率和NVH行為的三角關(guān)系中尋求一個(gè)很好的折中點(diǎn)。關(guān)于NVH的行為，在這一步中，需要注意輪廓覆蓋和跳躍覆蓋的最佳值（？）。如果找不到滿意的解決方案，則會(huì)執(zhí)行更改齒數(shù)，再次進(jìn)行過(guò)程循環(huán)回滾操作。

對(duì)于接下來(lái)的齒輪嚙合微觀幾何尺寸定義，需要考慮下面額外的幾組參數(shù)，所有這些參數(shù)都會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)部件的傾斜變形：
- 非線性軸承剛度和空隙
- 軸變形（彎曲，扭曲）
- 箱體變形

由于這種優(yōu)化不能針對(duì)所有的工作狀況進(jìn)行，因此選擇對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的NVH行為是特別重要的那一工作狀況。對(duì)于電動(dòng)車(chē)（BEV）這是一個(gè)低負(fù)載點(diǎn)（？）。

為了滿足承載能力和NVH行為的高要求，通常對(duì)齒進(jìn)行以下校正：螺旋角校正，齒形寬度球面性，齒形高度球面性，齒頭和/或齒根腳的重新定位。如果這些修改不能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，則進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

為了大量可能的校正組合不對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析造成太大的壓力，選擇軟件自帶的用于齒輪嚙合設(shè)計(jì)的CAE工具中的自動(dòng)微觀幾何分析的功能進(jìn)行分析處理。
在這種情況下，通過(guò)接觸分析計(jì)算在預(yù)定范圍內(nèi)檢查大量不同的校正組合。在原型部件的最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之前，將根據(jù)以下結(jié)果評(píng)估各個(gè)結(jié)果：
- 寬度加載因子（Breitenlastfaktor）
- 旋轉(zhuǎn)錯(cuò)誤（Drehfehler）
- 齒輪嚙合剛度的變化（Schwankungder Zahneingriffssteifigkeit）
- 負(fù)載的遮蓋效應(yīng)（Überdeckungunter Last）
- 效率（Wirkungsgrad）
- 齒面壓力過(guò)載（Pressungsüberhöhungan der Zahnflanke）

分析結(jié)果不僅要涵蓋了NVH領(lǐng)域，而且還要涵蓋目標(biāo)生命周期和損耗方面。從選擇的變種組合中，將輸出嚙合剛度的變化過(guò)程（見(jiàn)圖）數(shù)據(jù)，在MNoise軟件中繼續(xù)分析。



3：齒輪嚙合布局的模擬過(guò)程（SIMULATIonSPROZESSDER VERZAHNUNGSANREGUNG）

齒輪嚙合噪聲評(píng)價(jià)的模擬過(guò)程一共包含三個(gè)連續(xù)的步驟。

第一步，利用多體模擬（MKS）來(lái)研究變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)行為。尤其需要關(guān)注在齒輪接觸面的嚙合力的變化，因?yàn)樗鼤?huì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)整個(gè)結(jié)構(gòu)（參數(shù)化的振動(dòng)激勵(lì)）。多體模擬模型包含齒輪和受載剛度相同的在空間固定的軸承。齒輪間的嚙合將會(huì)被簡(jiǎn)化考慮，然后通過(guò)一個(gè)變化的齒輪嚙合剛度來(lái)表達(dá)。這是由于需要降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，節(jié)省時(shí)間。求解多體模型的任務(wù)將由軟件MNoise來(lái)完成。（獲得力）

第二步，將對(duì)變速箱進(jìn)行有限元分析（FEA）。所建模型包含整個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊和測(cè)試平臺(tái)。在第一步中獲得的變化的齒輪嚙合力將作為激勵(lì)信號(hào)，模擬相應(yīng)將基于模態(tài)還原過(guò)程在頻域中進(jìn)行，以此可以減少數(shù)字計(jì)算。在頻域中的分析在求解空間中沒(méi)有瞬態(tài)響應(yīng)，這也是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為了把阻尼行為考慮進(jìn)去，可以直接在材料上加載材料阻尼，或者也可以考慮使用模態(tài)阻尼的方法。（獲得速度）

第三步，將利用模擬所獲得的結(jié)構(gòu)的表面速度，來(lái)計(jì)算出例如表面聲速或者聲壓等有說(shuō)服力的聲學(xué)數(shù)據(jù)。因?yàn)槭侵苯佑?jì)算的機(jī)構(gòu)表面的速度，所以這可以用來(lái)解釋近場(chǎng)噪聲。為了能夠做出遠(yuǎn)場(chǎng)噪音，有限元分析模型必須以這樣一種方式進(jìn)行擴(kuò)展，即圍繞結(jié)構(gòu)的空域也包含在計(jì)算中。結(jié)構(gòu)與周?chē)諝饪臻g之間的耦合，使用FEA求解器提供的映射算法執(zhí)行。在空域外邊緣的非反射邊界條件，因此也允許模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的聲壓級(jí)。（獲得聲學(xué)參數(shù)）




第一步中提到的用來(lái)模擬齒輪嚙合力的多體模擬模型將考慮以下組件：

- 齒輪
- 軸
- 齒剛度變化曲線（非線性彈簧元件，通過(guò)齒輪嚙合現(xiàn)象來(lái)描述齒輪間的耦合）
- 滾動(dòng)軸承的徑向和軸向剛度（使工作點(diǎn)線性化）
- 上游和下游的測(cè)試臺(tái)組件（萬(wàn)向軸，剎車(chē)機(jī)構(gòu)等）的質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度。

齒輪對(duì)的整個(gè)MKS模型具有14個(gè)自由度，2×6自由度描述兩個(gè)軸和齒輪的平移和旋轉(zhuǎn)，并且對(duì)于上游和下游測(cè)試臺(tái)部件的旋轉(zhuǎn)需要兩個(gè)另外的自由度。通過(guò)使用拉格朗日參數(shù)，更多齒輪級(jí)也可以耦合在一起（？）。

對(duì)于啟動(dòng)，輸入端通常施加恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸出端則是線性的速度斜坡函數(shù)。在輸出端設(shè)定的速度邊界條件，再次使用拉格朗日參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以防止瞬態(tài)解中的數(shù)值問(wèn)題（？）。

求解計(jì)算力平衡和力矩平衡方程，可以獲得在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的（模擬所需要的）嚙合力。隨后使用傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換成頻域，并用于模態(tài)響應(yīng)模擬。

4：測(cè)量校正過(guò)程（PROZESSVALIDIERUNGMITTELS MESSUNGEN）

研發(fā)過(guò)程將以在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)實(shí)體樣機(jī)上進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試來(lái)結(jié)尾。Magna的多功能的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能夠測(cè)試內(nèi)燃機(jī)（VKM）的振動(dòng)噪聲信號(hào)，也可以測(cè)試電驅(qū)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)和受載時(shí)的振動(dòng)噪聲信號(hào)。測(cè)量實(shí)體圖如下圖所示



測(cè)量的目的是驗(yàn)證在驅(qū)動(dòng)軸承上的整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置（電動(dòng)機(jī)，變速箱和電力電子裝置）的仿真模型的噪聲輻射和振動(dòng)行為（是否和實(shí)體機(jī)構(gòu)符合）。為了獲得盡可能有說(shuō)服力的結(jié)論，在開(kāi)始測(cè)量之前設(shè)定以下幾點(diǎn)：

- 剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
- 使用優(yōu)化的彈性體，將驅(qū)動(dòng)器與測(cè)試臺(tái)完美分離
- 和實(shí)車(chē)相近的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)懸架結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特性將在模擬中被一一復(fù)制。因此，所有的影響都可以被考慮在內(nèi)，并且在比較中是可信的。在這種前提條件下，完成所有工作模式下的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲的測(cè)量。

由于電驅(qū)的期望主激勵(lì)頻率大部分在大于1kHz的范圍內(nèi)，所以除了傳統(tǒng)的麥克風(fēng)位置和振動(dòng)測(cè)量之外，還會(huì)使用到聲學(xué)攝像機(jī)（？）。它旨在提供有關(guān)驅(qū)動(dòng)器上聲學(xué)熱點(diǎn)的信息，并用于解釋和比較測(cè)量和模擬的輻射行為。同時(shí)，將會(huì)將模擬模型與測(cè)得的振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行比較。

對(duì)比模擬和測(cè)試的結(jié)果，可以看到在所考慮的頻率范圍內(nèi)幾乎所有諧振（虛線）的一致性都非常好。在過(guò)程的各個(gè)階段對(duì)NVH相關(guān)的參數(shù)和概念的很好一致性，顯示了這個(gè)模擬模型能夠很好的起到作用。最后，在驗(yàn)證過(guò)程尾聲，還將在安裝了該驅(qū)動(dòng)單元的整車(chē)上，進(jìn)行全滾輪工作室內(nèi)測(cè)試評(píng)價(jià)。

5：結(jié)論（ZUSAMMENFASSUNG）

這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)過(guò)程中充滿了挑戰(zhàn)，其振動(dòng)噪聲的優(yōu)化就是其中之一，因?yàn)樗艽蟪潭壬洗砹速|(zhì)量和技術(shù)。

通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果，整個(gè)計(jì)算過(guò)程和開(kāi)發(fā)工具得到了積極的驗(yàn)證。利用這些成果，使得開(kāi)發(fā)出完成NVH優(yōu)化的電驅(qū)機(jī)構(gòu)，成為可能。