今天這篇文章來自麥格納Magna，內(nèi)容是關于電動汽車的電驅變速箱的計算，設計，模擬，驗證。

前言：電動牽引傳動裝置比客車中傳統(tǒng)使用的內(nèi)燃機更安靜，然而，由電動機和電力電子裝置組成的電動驅動裝置也必須針對NVH行為進行優(yōu)化。麥格納動力總成為相關工藝步驟的高壓驅動和齒輪傳動引入了一種方法。

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

這部分在德國的小論文中基本稱為引言（Einleitung）。作者提出汽車電動化是一個越來越明顯的趨勢。但是由于內(nèi)燃機的取消和電動機的引入的電動化帶來的新的振動和噪聲問題必須好好重視起來，因為這和顧客體驗和產(chǎn)品質量密切相關。

接下來就是對整個研究內(nèi)容的一個綜述。

電驅動器的典型聲學激勵機構是功率電子器件的電氣開關操作，電動機的不均勻性和變速器中的齒輪中的滾動噪聲，這部分如從傳統(tǒng)的具有內(nèi)燃機（VKM）的驅動器中已知的那樣。



為了獲得高度的聲學舒適度，通過發(fā)動機支架和車輛結構的激勵和傳輸應該盡可能低。驅動器的內(nèi)部機械結構要求是在軸承點處處于低振動水平，以使聲學傳遞結構路徑中的噪聲水平降低，要求還有就是要讓表面振動很小，以減少通過空氣中聲音路徑的傳輸。采用絕緣材料等次要措施可能會減少聲音的傳播，但其目的應該是盡可能降低聲音輻射。

Magna的動力總成部門研發(fā)了一款高壓電驅，這篇文章將重點講講在研發(fā)過程中的NVH優(yōu)化改善問題，其中重點內(nèi)容是齒輪嚙合激勵和驅動結構的振動。
在設計階段，就已經(jīng)必須分析和改進結構的振動特性，例如，通過以上分析可以合理安排使用箱體加筋以及達到避免懸臂質量堆積的目的。盡管電磁電路的設計側重于關注性能和效率，但也應該考慮到設備的噪聲性能。計算過的非均勻磁場力將被用作NVH模擬的輸入量。

由于齒輪的滾動是周期性不均勻的過程，所以在齒輪之間產(chǎn)生可變的耦合剛度。這些數(shù)據(jù)被認為是NVH模擬中作為第二種激勵機制。從分析中得到的結構改進將在原型機的開發(fā)中應用實施。原型機將在一個特殊的聲學測試臺上測量其NVH行為。這些測試結果有助于進一步改進組件，以及將其與模擬結果進行比較的作用。

2：齒輪嚙合設計（VERZAHNUNGSAUSLEGUNG）

齒輪嚙合的設計將按如下步驟一步一步的進行。在第一步中，根據(jù)所定義的齒輪拓撲以及其他邊界條件，如目標齒輪比和安裝空間，選擇最佳齒數(shù)組合。這里特別注意電機的齒嚙合階次數(shù)和勵磁階次數(shù)的分離。設計應該避免今后工作過程中的粗糙聲現(xiàn)象和波動現(xiàn)象。利用現(xiàn)在預選的齒數(shù)可以開始其宏觀幾何尺寸定義。

對此需要從負載能力，效率和NVH行為的三角關系中尋求一個很好的折中點。關于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，則會執(zhí)行更改齒數(shù)，再次進行過程循環(huán)回滾操作。

對于接下來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)都會導致傳動部件的傾斜變形：
- 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)化不能針對所有的工作狀況進行，因此選擇對于整個系統(tǒng)的NVH行為是特別重要的那一工作狀況。對于電動車（BEV）這是一個低負載點（？）。

為了滿足承載能力和NVH行為的高要求，通常對齒進行以下校正：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)生令人滿意的結果，則進行進一步詳細的說明。

為了大量可能的校正組合不對計算機進行分析造成太大的壓力，選擇軟件自帶的用于齒輪嚙合設計的CAE工具中的自動微觀幾何分析的功能進行分析處理。
在這種情況下，通過接觸分析計算在預定范圍內(nèi)檢查大量不同的校正組合。在原型部件的最終設計實現(xiàn)之前，將根據(jù)以下結果評估各個結果：
- 寬度加載因子（Breitenlastfaktor）
- 旋轉錯誤（Drehfehler）
- 齒輪嚙合剛度的變化（Schwankungder Zahneingriffssteifigkeit）
- 負載的遮蓋效應（Überdeckungunter Last）
- 效率（Wirkungsgrad）
- 齒面壓力過載（Pressungsüberhöhungan der Zahnflanke）

分析結果不僅要涵蓋了NVH領域，而且還要涵蓋目標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程（見圖）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程（SIMULATIonSPROZESSDER VERZAHNUNGSANREGUNG）

齒輪嚙合噪聲評價的模擬過程一共包含三個連續(xù)的步驟。

第一步，利用多體模擬（MKS）來研究變速箱的轉動部件的動態(tài)行為。尤其需要關注在齒輪接觸面的嚙合力的變化，因為它會動態(tài)激勵整個結構（參數(shù)化的振動激勵）。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。齒輪間的嚙合將會被簡化考慮，然后通過一個變化的齒輪嚙合剛度來表達。這是由于需要降低計算機的運算量，節(jié)省時間。求解多體模型的任務將由軟件MNoise來完成。（獲得力）

第二步，將對變速箱進行有限元分析（FEA）。所建模型包含整個驅動模塊和測試平臺。在第一步中獲得的變化的齒輪嚙合力將作為激勵信號，模擬相應將基于模態(tài)還原過程在頻域中進行，以此可以減少數(shù)字計算。在頻域中的分析在求解空間中沒有瞬態(tài)響應，這也是它的一個優(yōu)點。為了把阻尼行為考慮進去，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構的表面速度，來計算出例如表面聲速或者聲壓等有說服力的聲學數(shù)據(jù)。因為是直接計算的機構表面的速度，所以這可以用來解釋近場噪聲。為了能夠做出遠場噪音，有限元分析模型必須以這樣一種方式進行擴展，即圍繞結構的空域也包含在計算中。結構與周圍空氣空間之間的耦合，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，因此也允許模擬遠場的聲壓級。（獲得聲學參數(shù)）




第一步中提到的用來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，通過齒輪嚙合現(xiàn)象來描述齒輪間的耦合）
- 滾動軸承的徑向和軸向剛度（使工作點線性化）
- 上游和下游的測試臺組件（萬向軸，剎車機構等）的質量轉動慣量和扭轉剛度。

齒輪對的整個MKS模型具有14個自由度，2×6自由度描述兩個軸和齒輪的平移和旋轉，并且對于上游和下游測試臺部件的旋轉需要兩個另外的自由度。通過使用拉格朗日參數(shù)，更多齒輪級也可以耦合在一起（？）。

對于啟動，輸入端通常施加恒定的負載轉矩，輸出端則是線性的速度斜坡函數(shù)。在輸出端設定的速度邊界條件，再次使用拉格朗日參數(shù)來實現(xiàn)，以防止瞬態(tài)解中的數(shù)值問題（？）。

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

4：測量校正過程（PROZESSVALIDIERUNGMITTELS MESSUNGEN）

研發(fā)過程將以在聲學實驗平臺上對實體樣機上進行聲學測試來結尾。Magna的多功能的聲學實驗平臺不僅能夠測試內(nèi)燃機（VKM）的振動噪聲信號，也可以測試電驅機構的驅動和受載時的振動噪聲信號。測量實體圖如下圖所示



測量的目的是驗證在驅動軸承上的整個驅動裝置（電動機，變速箱和電力電子裝置）的仿真模型的噪聲輻射和振動行為（是否和實體機構符合）。為了獲得盡可能有說服力的結論，在開始測量之前設定以下幾點：

- 剛度優(yōu)化設計的實驗平臺
- 使用優(yōu)化的彈性體，將驅動器與測試臺完美分離
- 和實車相近的驅動機構懸架結構

實驗平臺的特性將在模擬中被一一復制。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構噪聲的測量。

由于電驅的期望主激勵頻率大部分在大于1kHz的范圍內(nèi)，所以除了傳統(tǒng)的麥克風位置和振動測量之外，還會使用到聲學攝像機（？）。它旨在提供有關驅動器上聲學熱點的信息，并用于解釋和比較測量和模擬的輻射行為。同時，將會將模擬模型與測得的振動激勵進行比較。

對比模擬和測試的結果，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。在過程的各個階段對NVH相關的參數(shù)和概念的很好一致性，顯示了這個模擬模型能夠很好的起到作用。最后，在驗證過程尾聲，還將在安裝了該驅動單元的整車上，進行全滾輪工作室內(nèi)測試評價。

5：結論（ZUSAMMENFASSUNG）

這對電動汽車的研發(fā)過程中充滿了挑戰(zhàn)，其振動噪聲的優(yōu)化就是其中之一，因為它很大程度上代表了質量和技術。

通過對比模擬結果和測量結果，整個計算過程和開發(fā)工具得到了積極的驗證。利用這些成果，使得開發(fā)出完成NVH優(yōu)化的電驅機構，成為可能。