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一種基于V模型下針對(duì)三合一電驅(qū)總成的NVH優(yōu)化型研發(fā)方案

2021-11-17 22:48:11·  來(lái)源：建模與仿真  
　
作者: 施紹有*, 郁開(kāi)宇, 鐘澤成作者單位：上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海來(lái)源：建模與仿真摘要: 本文針對(duì)新能源車用三合一電驅(qū)總成NVH系統(tǒng)研發(fā)，提出了一種基于V
作者: 施紹有*, 郁開(kāi)宇, 鐘澤成
作者單位：上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海
來(lái)源：建模與仿真

摘要: 本文針對(duì)新能源車用三合一電驅(qū)總成NVH系統(tǒng)研發(fā)，提出了一種基于V模式的優(yōu)化型研發(fā)方案。通過(guò)建模與仿真不僅復(fù)現(xiàn)了電磁力和齒輪嚙合剛度波動(dòng)從激勵(lì)源到傳遞路徑(三合一電驅(qū)總成的結(jié)構(gòu))再到振動(dòng)、噪聲響應(yīng)上的表現(xiàn)，而且追溯到了非聲源的控制器的平板金屬部件是噪聲放大的主要原因。針對(duì)該現(xiàn)象，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化提升固有頻率300~500 Hz，使平板件的噪聲由結(jié)構(gòu)噪聲傳遞為主向空氣噪聲傳遞為主轉(zhuǎn)變，再加上聲學(xué)包裹等措施，綜合性的降低噪聲10~20 dB (A)。建模與仿真、測(cè)試和優(yōu)化通過(guò)這種基于V模式的優(yōu)化方案有機(jī)的結(jié)合到一起，節(jié)省了在子系統(tǒng)所占用的開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本。

關(guān)鍵詞: V模型；NVH (噪聲、振動(dòng)及聲振粗糙度)；電驅(qū)動(dòng)；MBS (多體動(dòng)力學(xué))；電磁噪聲；齒輪嚙合；拓?fù)鋬?yōu)化；PEU (控制單元)；ODS (工作變形分析)；

1. 引言
新能源汽車運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)總成的部分能量會(huì)以電磁噪聲和齒輪嚙合噪聲的方式通過(guò)自身的結(jié)構(gòu)路徑及周圍的空氣路徑傳遞出來(lái)。這三類分總成在機(jī)械性能上的較大差異使得三合一電驅(qū)總成NVH性能開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)。
綜合新能源電驅(qū)總成NVH特性、汽車零配件開(kāi)發(fā)體系復(fù)雜的特點(diǎn)和量產(chǎn)開(kāi)發(fā)時(shí)間的限制，在系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)上，通常會(huì)通過(guò)引入開(kāi)發(fā)模型來(lái)指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)，常見(jiàn)的有瀑布模型、螺旋模型、快速原型模型和V模型等等。
鑒于V模型本身的開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證的對(duì)稱性和廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)工程的經(jīng)驗(yàn)，本文提出了一種基于V模型下針對(duì)三合一電驅(qū)總成的NVH優(yōu)化型研發(fā)方案來(lái)指導(dǎo)新能源汽車三合一電驅(qū)動(dòng)總成的研發(fā)。

2. 方案
2.1. V模型
Forsberg等 [1] 在1990年為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提出一套V模式開(kāi)發(fā)方法，從系統(tǒng)需求出發(fā)到系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)束。在其需求定義及概念設(shè)計(jì)端，通過(guò)分解來(lái)得到子系統(tǒng)甚至到單元組件的需求。同時(shí)，在該模型的另一側(cè)通過(guò)逐漸升級(jí)的驗(yàn)證，最終滿足整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求的驗(yàn)證。
2.2. 優(yōu)化型研發(fā)方案
針對(duì)更為復(fù)雜的新能源汽車三合一電驅(qū)總成，本文提出了一種基于V模型的優(yōu)化型研發(fā)方案，見(jiàn)圖1。

Figure 1. A based on V-model research and development optimizing strategy
圖1. 一種基于V模型的優(yōu)化型研發(fā)方案
該方案從仿真建模出發(fā)復(fù)現(xiàn)了電機(jī)電磁力和齒輪嚙合剛度波動(dòng)在整個(gè)傳遞路徑上的振動(dòng)、噪聲響應(yīng)的表現(xiàn)，從系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果，即ODS運(yùn)行變形直接反映了聲源雖然是在電機(jī)和齒輪箱內(nèi)，通過(guò)傳遞路徑，噪聲和振動(dòng)在控制器的平板金屬件上提現(xiàn)一個(gè)較為明顯。在這基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化提升約300~500 Hz，迫使其結(jié)構(gòu)噪聲傳聲為主的形式轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈧髀?，同時(shí)，采用聲學(xué)包裹，以這樣一種綜合手段來(lái)達(dá)到降低噪聲約10~20 dB (A)。該優(yōu)化方案將建模與仿真和驗(yàn)證優(yōu)化有機(jī)結(jié)合在一起，節(jié)約了子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)。
3. 仿真
新能源汽車三合一動(dòng)力總成NVH仿真主要激勵(lì)源來(lái)自減速箱齒輪嚙合以及電機(jī)電磁激勵(lì)。本文以某款三合一動(dòng)力總成為研究對(duì)象，它由單檔減速器，48槽8極永磁同步電機(jī)和控制器組成，建立永磁同步電機(jī)和減速器的三合一動(dòng)力總成有限元模型，分別通過(guò)施加電磁力和齒輪扭矩，進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合振動(dòng)噪聲分析。
3.1. 多體動(dòng)力學(xué)
3.1.1. 動(dòng)力學(xué)方程
三合一電驅(qū)動(dòng)力總成符合運(yùn)動(dòng)學(xué)方程
M(x)¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯x¨−Qv−CTxλ=FM(x)¯¯x¨−Qv−CxTλ=F(1)
C(x,x˙)=0C(x,x˙)=0(2)
式中： M(x)M(x) 是其質(zhì)量方程；C是坐標(biāo)相關(guān)的限制條件； λλ 是拉格朗日乘數(shù)； QvQv 二次速度矢量。
3.1.2. 動(dòng)力學(xué)仿真
建立聲學(xué)模型之前，首先必須建立減速箱齒軸的剛?cè)狁詈戏治龅亩囿w動(dòng)力學(xué)模型，在Simcenter 3D仿真環(huán)境中，齒輪和軸被作為剛體建模，動(dòng)力總成殼體根據(jù)Craig等 [2] 提出的用于動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的耦合方法來(lái)作為柔性體建模。通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真，我們可以得到動(dòng)力總成受到齒輪激勵(lì)下的瞬態(tài)振動(dòng)情況，便于進(jìn)一步進(jìn)行聲學(xué)仿真分析。如圖2所示。首先根據(jù)模型實(shí)際參數(shù)，依次完成軸系建模，齒輪建模，齒軸是參數(shù)化的剛體(輸入軸齒輪1齒數(shù)為31，中間軸齒輪2齒數(shù)為20，中間軸齒輪3齒數(shù)為80，輸出軸齒輪4齒數(shù)為77)。通過(guò)兩級(jí)齒輪副減低轉(zhuǎn)速增大輸出扭矩。此外殼體，電機(jī)冷卻水套以及定子根據(jù)材料屬性建立有限元柔性體。模型中齒軸剛體和殼體柔性體之間由軸承模型連接，仿真模型一共包含8個(gè)軸承，分別位于電機(jī)軸，輸入軸，中間軸和差速器輸出軸兩側(cè)。傳動(dòng)系統(tǒng)由于齒輪嚙合，通過(guò)軸承將產(chǎn)生的振動(dòng)作用在殼體上，從而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。如圖3所示，動(dòng)力學(xué)仿真基于POT工況(1000~8000 rpm升速工況)，其中輸入軸施加電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出軸根據(jù)齒輪速比施加相應(yīng)扭矩，殼體懸置點(diǎn)施加約束。

Figure 2. Multi body simulation model
圖2. 多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏治瞿Ｐ?/span>

Figure 3. Simulation load condition
圖3. 仿真工況
通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算可得到殼體軸承在仿真工況下由齒輪嚙合激勵(lì)所受時(shí)域載荷。圖4展示了差速器軸承處載荷時(shí)域曲線。

Figure 4. Differential bearing load in time domain
圖4. 差速器軸承時(shí)域載荷
3.1.3. 聲學(xué)仿真
由于Simcenter3D軟件基于電磁力的聲學(xué)仿真要求在頻域下計(jì)算，那么由多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏治鲇?jì)算的動(dòng)態(tài)時(shí)域載荷必須經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到頻域載荷才能施加到后續(xù)聲學(xué)模型之中。整個(gè)聲學(xué)仿真模型，主要有三部分組成：第一，傅里葉變換后頻域下的軸承激勵(lì)加載在殼體軸承座表面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格凝聚節(jié)點(diǎn)處，如圖5，圖6所示；第二，計(jì)算殼體結(jié)構(gòu)體的自由模態(tài)結(jié)果，如圖7所示；第三，在殼體結(jié)構(gòu)體

Figure 5. Bearing coupling nodes distribution
圖5. 軸承座凝聚節(jié)點(diǎn)分布

Figure 6. Bearing load in frequency domain
圖6. 頻域下的軸承載荷

Figure 7. Modal simulation result
圖7. 模態(tài)結(jié)果
外建立聲學(xué)網(wǎng)格，并且設(shè)置聲場(chǎng)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)，用于記錄仿真結(jié)果。其次計(jì)算殼體網(wǎng)格表面到外部聲場(chǎng)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)傳遞向量(ATV)結(jié)果，如圖8所示，該傳遞函數(shù)體現(xiàn)了麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)與殼體表面振動(dòng)的關(guān)系。對(duì)于多轉(zhuǎn)速的計(jì)算工況，整個(gè)聲學(xué)仿真只需要計(jì)算一次聲學(xué)網(wǎng)格的傳遞函數(shù)。最后進(jìn)行聲學(xué)仿真得到聲場(chǎng)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的聲壓結(jié)果。

Figure 8. Acoustic transfer vector
圖8. 聲學(xué)傳遞向量(ATV)結(jié)果
圖9展示了控制器上方0.1 m處麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的聲壓結(jié)果瀑布圖。在齒輪嚙合激勵(lì)作用下，二級(jí)齒輪嚙合7.75階和一級(jí)齒輪嚙合31階的聲壓在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域(5000~7000 rpm)比較突出。其中7.75階對(duì)應(yīng)的頻率在646 Hz到904 Hz之間，31階對(duì)應(yīng)的頻率在2583 Hz到3617 Hz之間，說(shuō)明殼體在此頻率區(qū)間的固有模態(tài)會(huì)引起較大的共振。

Figure 9. Acoustic pressure result of microphone measure point above PEU (0.1 m)
圖9. 控制器上方(0.1 m)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)聲壓結(jié)果
3.2. 電磁激勵(lì)及聲學(xué)仿真
3.2.1. 電磁激勵(lì)
永磁同步電機(jī)是通過(guò)定子繞組電流產(chǎn)生的氣息旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。氣隙磁場(chǎng)中，也產(chǎn)生作用于定子鐵芯的電磁力波，通過(guò)傳遞引起整個(gè)鐵芯與殼體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并向外輻射噪聲。根據(jù)麥克斯韋定律，可以得到單位面積的徑向電磁力和單位面積的切向電磁力，即：
Fn=B2n−B2t2μ0Fn=Bn2−Bt22μ0
Ft=Bn×Btμ0Ft=Bn×Btμ0
式中： μ0μ0 代表磁導(dǎo)率； BnBn 代表徑向磁通密度； BtBt 代表切向磁通密度； FnFn 代表單位面積徑向電磁力； FtFt 代表單位面積切向電磁力。其中徑向電磁力是引起電機(jī)定子和殼體產(chǎn)生振動(dòng)的主要因素，切向電磁力影響相對(duì)較小。電磁力可通過(guò)電磁仿真軟件計(jì)算，并施加在電機(jī)定子鐵芯齒部。
3.2.2. 聲學(xué)仿真
電磁激勵(lì)下的聲學(xué)仿真也主要有三個(gè)部分，除了殼體結(jié)構(gòu)體的自由模態(tài)結(jié)果和結(jié)構(gòu)體表面到外部聲場(chǎng)麥克風(fēng)點(diǎn)的聲學(xué)傳遞向量結(jié)果。如圖10和圖11所示，還需在電機(jī)定子齒面映射傅里葉變換后各轉(zhuǎn)速頻域下的電磁力激勵(lì)。然后利用聲學(xué)網(wǎng)格的傳遞函數(shù)，進(jìn)行聲學(xué)仿真得到聲場(chǎng)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的聲壓結(jié)果。

Figure 10. Electric magnetic force in frequency domain
圖10. 各轉(zhuǎn)速下頻域上的電磁力

Figure 11. Electric magnetic force mapping on mesh
圖11. 映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的電磁力
圖12展示了控制器上方0.1 m處麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的聲壓結(jié)果瀑布圖，其中24和48階在高速區(qū)間(6000~8000 rpm)的聲壓比較突出。

Figure 12. Acoustic pressure result of microphone measure point above PEU (0.1 m)
圖12. 控制器上方(0.1 m)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)聲壓結(jié)果
4. 優(yōu)化
4.1. 拓?fù)鋬?yōu)化
通過(guò)仿真中的ODS分析，控制器的平板件在工作運(yùn)行狀態(tài)下表現(xiàn)出相對(duì)較為明顯的變形，其主要原因是這些沖壓平板件結(jié)構(gòu)薄弱，一階約束下的固有頻率都低于800 Hz，見(jiàn)表1。在振動(dòng)噪聲傳遞中，它們體現(xiàn)主要為結(jié)構(gòu)傳聲為主導(dǎo)的噪聲傳遞，在后期很難通過(guò)一些隔聲的聲學(xué)包裹策略來(lái)減低該噪聲，因此在這里采用了拓?fù)鋬?yōu)化方法來(lái)提升其固有頻率。

Table 1. Improvement of eigenfrequency
表1. 固有頻率提升
以上蓋板為例，見(jiàn)圖13，對(duì)初始設(shè)計(jì)仿真發(fā)現(xiàn)其固有頻率在516 Hz，然后通過(guò)填補(bǔ)材料提升至845 Hz，然后優(yōu)化材料質(zhì)量分布，最終可以實(shí)現(xiàn)其固有頻率達(dá)到806 Hz，即超過(guò)800 Hz的目標(biāo)。

Figure 13. Topology optimization of upper cover plate
圖13. 上蓋板的拓?fù)鋬?yōu)化
4.2. 聲學(xué)包裹優(yōu)化
通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法，將三合一電驅(qū)動(dòng)總成的主要噪聲放大部件由結(jié)構(gòu)噪聲傳遞為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠肼晜鬟f為主導(dǎo)之后，采用聲學(xué)包裹方案，可以最大程度的提升降低噪聲傳遞的效果。

Figure 14. Comparison of initial state, stiffness improvement and acoustic package combined with stiffness improvement
圖14. 初始狀態(tài)、剛度加強(qiáng)和聲學(xué)包裹配合剛度加強(qiáng)下的對(duì)比
從圖14中可見(jiàn)，通過(guò)先提升固有頻率再做聲學(xué)包裹的綜合方案，控制器上蓋板的測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)下降約10~20 dB (A)。
5. 測(cè)試驗(yàn)證
5.1. 三合一電動(dòng)力總成NVH測(cè)試
三合一電動(dòng)力總成的NVH性能驗(yàn)證通過(guò)在半消聲實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中，對(duì)其主要的行車工況：小油門、中油門、大油門和制動(dòng)能量等多種工況進(jìn)行考核。通常采用5點(diǎn)法布置傳聲器，分別考察近場(chǎng)10 cm和遠(yuǎn)場(chǎng)1 m處的聲壓，見(jiàn)圖15。

Figure 15. Shanghai Electric 160 kW EDS in Anechoic laboratory of CATARC
圖15. 上海電氣160 kW電動(dòng)力總成在中汽研半消聲實(shí)驗(yàn)室
通過(guò)在中油門工況下采集近場(chǎng)聲壓數(shù)據(jù)，后處理成為瀑布圖，可以觀察到三合一電驅(qū)總成各個(gè)聲源階次的分布，見(jiàn)圖16。

Figure 16. Noise characteristic of EDS
圖16. 三合一電驅(qū)總成噪聲特性
由于是二級(jí)減速，共有兩組齒輪嚙合，產(chǎn)生7.75和31階次嚙合及其諧波階次的噪聲。電機(jī)主要產(chǎn)生24和48階次噪聲?？刂破鞯淖冾l噪聲主要表現(xiàn)在基于載波頻率10 kHz的階次。以電機(jī)電磁力階次為例，見(jiàn)圖17，總壓級(jí)的部分峰值點(diǎn)是主要由階次噪聲貢獻(xiàn)的。

Figure 17. Overall noise sound pressure and order contribution
圖17. 總壓和階次貢獻(xiàn)
5.2. 聲源定位和仿真對(duì)比
在相同工況下通過(guò)聲源定位測(cè)試，同樣發(fā)現(xiàn)一級(jí)齒輪嚙合31階噪聲和48階電磁噪聲在控制器上蓋位置較為明顯，同仿真ODS分析結(jié)論一致，見(jiàn)圖18和圖19。

Figure 18. 31th order noise source localization
圖18. 31階次噪聲聲源定位

Figure 19. 48th order noise source localization
圖19. 48階次噪聲聲源定位

6. 結(jié)論
本文介紹了一種基于V模型下針對(duì)三合一電驅(qū)總成的NVH優(yōu)化型研發(fā)方案，首先通過(guò)仿真和建模還有測(cè)試上找到了對(duì)應(yīng)的階次噪聲，并分析其基理從而進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化，下一步可以把電磁激勵(lì)和齒輪激勵(lì)源耦合在一起進(jìn)一步完善建模和仿真流程。
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