前言       

       在汽車開發(fā)過程中，NVH性能作為的重要評(píng)估指標(biāo)之一，直接關(guān)系到整車駕駛舒適性。隨著汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)的電氣化開發(fā)，新能源汽車在NVH性能開發(fā)過程中重點(diǎn)關(guān)注和著重解決的問題點(diǎn)也與傳統(tǒng)汽車有著顯著的差別。其中，電驅(qū)動(dòng)總成作為純電動(dòng)車的動(dòng)力源，其NVH性能是開發(fā)和關(guān)注的重點(diǎn)。

       對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力總成而言，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲在動(dòng)力總成總輻射噪聲中占主導(dǎo)，噪聲頻率段覆蓋較廣。而電驅(qū)動(dòng)總成失去了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蓋，齒輪箱的噪聲變得更加突出。齒輪箱主要由齒輪嚙合產(chǎn)生的激勵(lì)源經(jīng)由軸承傳遞至殼體，引起殼體表面振動(dòng)，繼而經(jīng)由空氣傳播至人耳。齒輪箱噪聲主要分為敲擊噪聲與嘯叫噪聲，在我們前期《基于AVL仿真分析平臺(tái)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH分析》技術(shù)貼中，詳細(xì)介紹了齒輪這兩種噪聲類型以及產(chǎn)生的機(jī)理。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，常見的減速器架構(gòu)主要分為如圖1所示的兩級(jí)減速帶副軸形式、兩組行星齒輪組形式以及單組行星齒輪組帶副軸形式三種類型。這三種架構(gòu)中無論哪種形式，所有齒輪對(duì)在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作過程中均會(huì)承載，這也是電驅(qū)動(dòng)總成齒輪主要噪聲形式為嘯叫噪聲的根本原因。而嘯叫作為一種窄帶噪聲，具有明顯的惱人特性。因此，如何降低電驅(qū)動(dòng)總成相應(yīng)的嘯叫噪聲是開發(fā)者關(guān)注的重點(diǎn)。

圖1 電驅(qū)動(dòng)總成架構(gòu)

在《基于AVL仿真分析平臺(tái)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH分析》技術(shù)貼中，介紹電驅(qū)動(dòng)總成主要噪聲來源可以分為兩個(gè)部分：一是電機(jī)噪聲，二是齒輪噪聲。現(xiàn)階段，常見新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)冷卻形式主要為冷卻液冷卻，主要噪聲是由電機(jī)氣隙中各諧波磁場(chǎng)引起的交變電磁力導(dǎo)致鐵芯及其相關(guān)聯(lián)的機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生的振動(dòng)電磁噪聲，該類型噪聲也呈現(xiàn)諧次特性。結(jié)合AVLeSUITE軟件平臺(tái)可對(duì)該部分噪聲進(jìn)行詳細(xì)的分析以及優(yōu)化，這部分內(nèi)容會(huì)在后期技術(shù)貼以及相關(guān)培訓(xùn)中會(huì)詳細(xì)說明。本期技術(shù)貼主要介紹如何借助AVLCAMEO優(yōu)化工具以及EXCITE軟件平臺(tái)對(duì)齒輪嘯叫噪聲進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

       CAMEO開發(fā)伊始是一款定位于用于車輛系統(tǒng)優(yōu)化和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定的高度自動(dòng)化的優(yōu)化和標(biāo)定工具。當(dāng)前，基于模擬優(yōu)化需求，AVL開發(fā)了CAMEO for simulation，基于該軟件，可以方便的與AVL先進(jìn)模擬技術(shù)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，用于結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其優(yōu)勢(shì)在于：

• 方便易用的工作流程，支持與多種CAE仿真工具的集成

• 支持在線建模和優(yōu)化，在較短時(shí)間獲取需要的結(jié)果

• 提供可用的模板能夠自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理減少結(jié)果篩選時(shí)間

• 計(jì)算完成后，能夠輸出設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)變量的相互關(guān)系，幫助工程師了解設(shè)計(jì)參數(shù)與仿真模型之間的相關(guān)性

• 在設(shè)計(jì)空間探索的樣本點(diǎn)上可以建立響應(yīng)面模型，幫助工程師通過利用現(xiàn)有的計(jì)算樣本信息最大限度地改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1 減速器噪聲分析

        減速器工作過程中，不同的齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)（宏觀參數(shù)和微觀修形）、殼體和齒輪軸柔性變形、齒輪盤的柔性變形、軸承間隙的變化均會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合狀態(tài)的變化，繼而影響齒輪箱的NVH表現(xiàn)。在EXCITE搭建的動(dòng)力學(xué)模型中，以上所有的影響因素均可以考慮，從而為準(zhǔn)確模擬齒輪嘯叫噪聲提供了保證。

圖2 嘯叫噪聲主要影響因素

圖3 EPU 電驅(qū)總成動(dòng)力學(xué)模型

圖3 為某車用電驅(qū)動(dòng)總成動(dòng)力學(xué)模型，電磁激勵(lì)在本例中不做詳細(xì)考察，電機(jī)只按平均扭矩載荷加載，模型中一級(jí)齒輪齒數(shù)對(duì)主從動(dòng)齒數(shù)分別為30與60。圖4 為該動(dòng)力總成殼體上某點(diǎn)各轉(zhuǎn)速下振動(dòng)結(jié)果，從圖中可知，受到一級(jí)齒輪嚙合力的影響，殼體表面在15/30/60階諧次下振動(dòng)加速度幅值會(huì)比較大，且大于140db相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 變速器殼體振動(dòng)加速度級(jí)

以轉(zhuǎn)速6000rpm為例，結(jié)構(gòu)體表面最大振動(dòng)加速度級(jí)達(dá)到138db。圖5為3000HZ時(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體表面振動(dòng)速度云圖，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變速器表面振動(dòng)速度較大。結(jié)合一級(jí)齒輪對(duì)嚙合結(jié)果可知，當(dāng)前齒輪偏載較為嚴(yán)重，齒面載荷分布系數(shù)也達(dá)到1.33。對(duì)于齒輪副嚙合嘯叫噪聲而言，產(chǎn)生的根本原因?yàn)辇X輪的傳遞誤差，而影響傳遞誤差的重要因素為齒輪嚙合狀態(tài)。由于當(dāng)前齒輪嚙合偏載較為嚴(yán)重，導(dǎo)致變速箱嚙合嘯叫噪聲更加凸顯。而改善齒輪齒面嚙合形式的有效辦法為齒輪微觀修形。

圖5 變速器殼體振動(dòng)加速度與振動(dòng)速度云圖

圖6 一級(jí)齒輪齒面載荷分布    圖7 齒面載荷分布系數(shù)

齒輪微觀修形作為降低變速器降低嘯叫噪聲的主要方法，常見的齒輪修形分為齒向修形與齒廓修形，而齒廓修形分為齒頂修形，齒底修形，齒向鼓型修形，壓力角修形；齒向修形分為齒邊修形，齒廓鼓型修形，螺旋角修形，扭曲修形。

圖8 齒廓修形

圖9 齒向修形

結(jié)合齒面載荷分布結(jié)果，齒輪邊緣偏載較為嚴(yán)重，本案例中采用齒向鼓型修形（Crowning）以及螺旋角修形（HelixAngle）兩種綜合修形方式。

2 齒輪噪聲優(yōu)化

以轉(zhuǎn)速6000rpm為例，當(dāng)前齒輪嚙合的半階主諧次15階、主諧次30階以及2倍諧次60階諧次振動(dòng)加速度較大，取最大的30階以及60階兩個(gè)主要諧次幅值為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化齒廓鼓型修形以及螺旋角修形使其幅值最小。

圖10 不同諧次振動(dòng)加速度級(jí)

齒向鼓型修形以及螺旋角修形范圍選擇為0~12um,結(jié)合CAMEO DOE算法中的索伯序列法（Sobol-Designer）生成所需的40個(gè)case如圖11所示，結(jié)合EXCITE PU對(duì)生成計(jì)算case進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算。

結(jié)合動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，基于CAMEO內(nèi)部智能優(yōu)化算法，建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，圖12a為不同變參下分析結(jié)果的相關(guān)性圖，從圖中可知，隨著齒向鼓型修形以及螺旋角修形變化，其響應(yīng)值置信區(qū)間均較窄，說明優(yōu)化模型預(yù)測(cè)的結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。結(jié)合圖12b計(jì)算case對(duì)應(yīng)30階與60階諧次下峰值與預(yù)測(cè)模型性關(guān)系，無論模型質(zhì)量還有吻合度均達(dá)到Very Good的水平。

圖11 DOE計(jì)算case

圖12 模型相關(guān)性

圖13 為30階與60階諧次幅值響應(yīng)面結(jié)果，通過該圖中可直觀看出對(duì)于降低各自響應(yīng)幅值變參最優(yōu)的范圍，對(duì)于30階幅值而言，左圖顯示螺旋角修形量越小，鼓型修形量為8um左右對(duì)應(yīng)響應(yīng)值越小，而對(duì)于60階而言，右圖顯示鼓型修形量越大，螺旋角修形越小響應(yīng)幅值越小。

圖13 優(yōu)化響應(yīng)面

在噪聲優(yōu)化過程中，不同優(yōu)化目標(biāo)可能存在一定Trade off 關(guān)系，從圖14可知，各自優(yōu)化對(duì)應(yīng)最優(yōu)點(diǎn)呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。為了綜合考慮優(yōu)化結(jié)果，選取30階與60階平方根值作為最終優(yōu)化目標(biāo)：

圖14 Trade off關(guān)系圖

結(jié)合響應(yīng)面以及優(yōu)化最優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)鼓型修形量為11.742um、螺旋角修形為3.1478um時(shí)，平方根值為169.7db, 而當(dāng)前30階幅值為128.1db，60階幅值為111.59db。

3 結(jié)果驗(yàn)證

基于優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)的對(duì)比，圖15為6000rpm轉(zhuǎn)時(shí)域結(jié)果，優(yōu)化后殼體振動(dòng)加速度幅值明顯降低。

圖15 優(yōu)化前后時(shí)域振動(dòng)加速度對(duì)比

       通過對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化結(jié)果可知，基于該優(yōu)化方案，在30階諧次與60階諧次在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)優(yōu)化結(jié)果都有一定的降低。

圖16 優(yōu)化前后振動(dòng)加速度級(jí)

       對(duì)比30階與60階諧次切片圖，優(yōu)化后振動(dòng)加速度級(jí)均明顯降低，且優(yōu)化后振動(dòng)加速度級(jí)未超出140db的限值要求。

圖17 30階與60階不同轉(zhuǎn)速下幅值優(yōu)化前后對(duì)比

從圖17可知，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算優(yōu)化后6000rpm時(shí)30階與60階諧次幅值分別為127.83db和111.19db。而結(jié)合CAMEO優(yōu)化算法預(yù)測(cè)結(jié)果30階幅值為128.1db，60階幅值為111.59db，預(yù)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果僅僅相差0.4db左右，說明CAMEO優(yōu)化算法精度完全可滿足優(yōu)化需求。

從三維振動(dòng)速度云圖來看，該電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成局部區(qū)域振動(dòng)速度級(jí)也明顯減低。

圖18 振動(dòng)速度級(jí)云圖

EXCITE Acoustic 作為一款專業(yè)的聲場(chǎng)仿真軟件，可對(duì)動(dòng)力總成輻射噪聲進(jìn)行高效快速的計(jì)算。圖19a為電驅(qū)動(dòng)總成聲場(chǎng)模型以及各麥克風(fēng)位置。通過分析各麥克風(fēng)聲壓級(jí)平均值可知，優(yōu)化后總體聲壓級(jí)最大值降幅接近2.5db。

圖19 Acoustic 聲場(chǎng)分析模型及結(jié)果

總結(jié)

基于EXCITE軟件平臺(tái)，可構(gòu)建完整詳細(xì)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，考慮不同因素對(duì)于系統(tǒng)NVH特性的影響，準(zhǔn)確分析電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲。CAMEO作為一款高度自動(dòng)化的優(yōu)化和標(biāo)定工具，通過其與EXCITE聯(lián)合優(yōu)化，可快速有效的對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH特性進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，大大減小用戶在產(chǎn)品優(yōu)化中的時(shí)間。

希望以上信息對(duì)廣大有電驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)和分析需求的用戶有所幫助，如有任何問題，也歡迎發(fā)送郵件至我們的技術(shù)支持郵箱Mechanical_support_china@avl.com進(jìn)行咨詢。

中國(guó)先進(jìn)模擬技術(shù)事業(yè)部：向熔