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基于AVL仿真分析平台的电驱动总成NVH分析
2019-07-10 21:18:26· 来源：AVL先进模拟技术
一、引言当前，在中国和全球市场，汽车行业都面临着更加严苛的法规限制，更短的量产周期，并且新能源技术的发展日益成为汽车动力总成发展的必然趋势，汽车产品更
一、引言
当前，在中国和全球市场，汽车行业都面临着更加严苛的法规限制，更短的量产周期，并且新能源技术的发展日益成为汽车动力总成发展的必然趋势，汽车产品更快地向低碳、电动、智能化方向发展，各大OEM不断加大对新能源汽车研究的投入，中国新能源汽车产业正在全面升级。
伴随计算机辅助设计与仿真的日益普及，CAE技术在电驱动系统的设计开发中发挥着越来越重要的作用。AVL作为全球知名的汽车技术咨询公司，在电驱动总成设计与开发的模拟技术中，形成了从系统到部件、从部件结构可靠性、系统NVH性能到整车动力性经济性以及整车热管理分析的完整的工具链。基于AVL 仿真模拟平台针对电机的模拟仿真，可以考虑到多物理场间复杂的相互作用，进行多物理场、多计算域的联合仿真。例如：根据电机电磁场计算结果，结合多物理场耦合分析功能，可以进行电机的三维热管理分析，用于电机冷却水道的详细设计和优化；基于三维热管理分析的计算结果，自动地生成电机一维热管理模型，并结合电磁场分析得到的电机外特性和效率Map图，可进一步搭建全面的系统级整车热管理模型进行整车系统级别的能量分析和优化；除此之外，电磁激励还可作为同平台电机动力学分析的载荷边界，继而实现电机NVH特性的准确模拟。
图3 AVL仿真分析平台电机仿真内部数据交互
在汽车开发过程中，NVH性能作为的重要评估指标之一，直接关系到整车驾驶舒适性。而随着汽车动力传动系统架构的变更，新能源汽车在NVH性能开发过程中重点关注和着重解决的问题点也与传统汽车相去甚远。其中，电驱动总成做为新能源汽车一种新的驱动方式，其NVH性能开发是关注的重点。本文将就AVL在电驱动系统NVH仿真分析的开发应用上做重点阐述和介绍。
二、主要分析任务
根据电驱动总成结构，其主要噪声来源可以分为两个部分：一是电机噪声，二是齿轮噪声。
电机噪声主要分为三个方面，即空气噪声、机械噪声和电磁噪声。空气噪声主要由于风扇转动，使空气流动，撞击、摩擦结构而产生。噪声大小决定于风扇大小、形状、电机转速高低和风阻风路等情况。现阶段，常见新能源汽车电驱动系统中电机冷却形式主要为冷却液冷却，传统电机风噪并不是其关注的对象。机械噪声是由电机相关零部件之间（比如滚动轴承）相互摩擦而产生的周期性或非周期性的机械冲击或振动引起的。电磁噪声的根源是电机气隙中各谐波磁场引起的交变电磁力导致铁芯及其相关联的机械构件产生的振动。电磁噪声也是电机噪声分析中关注的重点。对于电驱动总成中齿轮噪声，可按其主要表现形式分为两类，即敲击噪声和啸叫噪声。敲击噪声是非承载齿轮工作过程中由于转速波动引起的齿面两侧来回敲击导致的噪声，啸叫噪声则是由于承载齿轮啮合过程中啮合刚度和传递误差的周期性变化导致的有阶次特征的噪声。由于当下电驱动总成基本还都是单传动比，没有多档齿轮传动，即不存在非承载齿轮对，所以齿轮啸叫噪声是当前电驱动总成中齿轮噪声的主要来源。
图4 齿轮敲击噪声
图5 齿轮啸叫噪声三、电机仿真
3.1 电磁激励
针对电磁场模拟，AVL仿真分析平台可以实现电机二维切片的自动生成与网格的自动处理，通过定义基本参数，如绕组形式、极对子数、定子齿槽个数以及电机有效长度等，结合电机各部件材料特性如矫顽磁力、B-H曲线以及导磁率等，即可对电机电磁场进行相应的计算。
图6 AVL仿真分析平台电磁场仿真流程
根据麦斯威尔磁场分析理论，自动计算电机定子齿上的径向力、切向力以及弯曲力矩，同时计算电机不同工作电流下随转子转角变化的输出力矩，为电机NVH分析提供准确的激励边界。
图7 电磁激励
3.2 电机转子动力学
基于AVL 仿真分析平台进行结构动力学分析，不仅可以涵盖传统动力总成，亦可对混动及纯电动系统进行动力学计算。结合电磁场仿真结果即可对电机电磁噪声进行相应的分析。
AVL仿真分析平台动力学模型支持的电机类型包含永磁同步电机 (PMSM)、励磁同步电机(EESM)、鼠笼式异步电机(SCIM)、双馈式感应电机(DFIM)以及同步磁阻电机(SYRM)，可满足常见的电机仿真分析需求。而且动力学模型中的电机单元集成了逆变器、传感器、电源供给、控制器等功能，可对电机不同控制模式下稳态或瞬态动力学特性进行相应的分析。
图8 动力学模型支持的电机类型
电机转子作为电机的主要运动部件，它靠轴承支撑于电机壳体上。其工作过程中一方面承受电磁场扭矩激励，输出扭矩给传动系统；另一方面，由于自身质量偏心或磁场偏心会导致径向偏心运动，在轴承支撑下，通过轴承传递径向载荷给电机壳体。同时，径向位移还会引起电磁场分布的变化，继而影响电磁激励，返过来影响转子偏心量和轴承激励。
传统的电磁场分析基本无法同时考虑电机瞬态过程中转子运动或变形与磁场的完全耦合，而基于AVL仿真分析平台，动力学模型中电机单元可准确考虑机械和电磁场的瞬态耦合效应。
图9为电机多种偏心形式，包括转子偏心、磁极偏心、转子和磁极均偏心以及定子变形和转子偏心。不论何种偏心，都会对电磁场分布产生影响。右图为某电机在转子一定偏心下的转子径向受力，从图中很明显可以看转子受力在一个循环周期内出现一个相对较大的周期性的峰值。而图10反映的是电机轴承力在转子偏心和非偏心情况的对比，可以看到前者比后者激励幅值高出许多。
图9 转子偏心
图10 转子偏心对轴承力影响
图11为考虑和不考虑电磁径向拉力电机转子的径向位移和轴承轴心轨迹的结果对比，其中蓝色线为不考虑电磁拉力影响的结果，黑色线为考虑转子径向位移与电磁场耦合引起的径向电磁拉力影响的结果。从图中明显可看出在电磁拉力作用下会更加促进转子的径向位移，同时径向激励也随偏心量的增大而有所的增加，这就意味着电机轴承的受力及传递到壳体的载荷同样也会大幅提高，由此才能更真实地反映电机结构的受力状态以及由此可能引起的可靠性或振动问题。
图11 磁拉力对于转子动力学影响
此外AVL仿真分析平台动力学模型中，基于转子轴向切片分析方法，可考虑电机转子磁极扭曲角度对于转子受力的影响，图12 为有磁极扭曲角和没有磁极扭曲角的电机输出扭矩结果对比，从图中可知增加扭曲角后电机转子输出力矩的波动幅值明显降低。
图12 转子磁极扭曲角对电机输出扭矩波动的影响
3.3 电机NVH计算
基于AVL仿真分析平台，可以方便地进行电磁场计算和动力学计算之间的数据交互，并且基于三维Map形式的电磁激励数据交互还可以充分考虑电磁场与机械场的耦合作用，以进行准确的电机振动分析。并且，基于电机结构的表面振动，还可以快速进行电机自由声场的模拟。
图13 电机NVH分析流程
四、齿轮建模
考虑到电机运行转速较高，需要加入减速器以降低输出转速、提高输出扭矩。而电机和齿轮减速器甚至电控系统的集成化设计基本成了目前电驱动总成开发的主流。
图14 电驱动系统结构
根据不同的产品开发阶段，AVL仿真分析平台动力学模型齿轮副建模提供不同的建模深度，分别为啮合线接触模型、完整齿面接触模型以及柔性齿轮盘接触模型，三种建模方式可以涵盖不同详细程度的齿轮分析。概念设计阶段，基于啮合线接触模型可在基本的齿轮宏观参数下实现齿轮啮合分析，而在详细设计校核阶段，基于完整齿面接触模型以及柔性齿轮盘接触模型，在考虑齿轮宏观参数基础上增加齿轮微观修形参数，详细评估齿面啮合情况以及壳体响应情况。
a 啮合线接触模型 b 完整齿面接触模型 c 柔性齿轮盘接触模型
图15 不同级别的齿轮副建模类型
电驱动总成中，常见的减速器架构主要分为如图16所示的两级减速带副轴形式、两组行星齿轮组形式以及单组行星齿轮组带副轴形式三种类型。这三种架构中无论哪种形式所有齿轮对在电驱动系统工作过程中均会承载，这也是电驱动总成齿轮主要噪声形式为啸叫噪声根本原因。
图16 电驱动总成架构
齿轮传动工作过程中，不同的齿轮设计参数（宏观参数和微观修形）、壳体和齿轮轴柔性变形、齿轮盘的柔性变形、轴承间隙的变化均会导致齿轮啮合状态的变化，继而影响齿轮箱的NVH表现。AVL仿真分析平台动力学模型中，以上所有的影响因素均可以考虑，从而为准确模拟齿轮啸叫噪声提供了保证。
图17 齿轮啸叫影响因素
对于电驱动总成带行星齿轮组的架构中，由于外齿圈结构刚度相对较弱，工作过程中在齿轮啮合力作用下会产生一定的变形，甚至和齿轮箱壳体一起出现耦合共振。由图18可知外齿圈的变形会很大程度上改变行星齿轮啮合状态，导致齿轮传递误差的增大，还会出现边频调制，继而会导致变速器在主谐次噪声增大的同时，附近还会出现边频噪声。
图18 柔性齿轮影响
基于AVL仿真分析平台动力学分析，可以考虑齿轮盘（外齿圈）结构变形对齿轮副啮合状态的影响。图19 为某电驱动总成中行星齿轮组在考虑柔性齿圈变形以及不考虑柔性齿圈变形的区别，从齿轮啮合阶次的辐射噪声声压级幅值来看，二者相差甚至达到了10dB。
图19 电驱动总成行星齿轮副阶次噪声
基于AVL仿真分析平台动力学模型，齿轮仿真分析过程中也可考虑齿轮微观修形的影响，在齿轮噪声优化中即可分析不同微观修形方案对于齿轮箱噪声的影响。图20 为考虑齿轮微观修形后齿面载荷分布以及啮合阶次噪声幅值的差异，可以看出修形后很大程度上减小了齿轮啸叫噪声。
图20 齿轮修形影响
五、系统NVH分析以及噪声辐射计算
基于AVL仿真分析平台，结合电机以及减速器的电驱动总成动力学分析模型，同时考虑电磁场激励、齿轮啮合激励以及滚动轴承载荷的影响，即可对电驱动系统工作过程中NVH特性进行准确的仿真。
图21电驱动总成分析
图22为电驱动总成中考虑电磁力与不考虑电磁力的声压级结果，从图中可知在增加电磁激励后声压级明显出现电机的谐次特性，且声压级整体幅值有一定的增加。通过激励逐一加载的方式，可快速分析不同激励源的主要影响频域范围。
图22电驱动总成不同激励源影响
由上分析可知，电机噪声与齿轮啮合噪声均有明显的高阶谐次噪声的特性，在早期齿轮齿数设计过程中就应尽量避开电机激励阶次，避免由于二者阶次重合或相近导致阶次噪声峰值过大。
图23 电机与齿轮噪声阶次
总结
基于AVL仿真分析平台，可完整地对电驱动总成进行准确的仿真。 同一平台可准确模拟电机电磁场分布，结合电机转子动力学分析，可以实现电磁场与机械场的耦合计算，考虑机械变形、相对运动以及磁场分布的相互影响。 同时结合详细的齿轮箱建模，进一步进行电机和齿轮箱动力学仿真，在此基础上实现电驱动总成动力学和NVH的准确计算，整个仿真分析流程各任务之间可进行数据的无缝对接，从而保证了仿真过程执行的可靠性以及数据的一致性。
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