西门子工程咨询服务团队解决方案之下一代电驱动系统动力学仿真解决方案

 概述 

在电动化趋势下，由于电机取代了发动机，整车噪声没有了发动机的贡献，使得电机和减速器的噪声显得越来越突出，也逐渐被关注，减振降噪设计也成为企业主要关心的问题之一。而要对电驱动系统进行振动噪声的仿真分析，首先要对电驱动系统进行动力学仿真分析，获取电机的电磁力以及减速器齿轮啮合力传递给电驱动总成壳体的激振力，然后将壳体激振力作为边界载荷输入，进行NVH仿真分析。

在混合动力和电动车辆的电驱动动力系统中，电机和齿轮的啸叫噪声尤为突出。这是由于缺少内燃机来掩盖噪声。电机啸叫声来自电机电磁力，而齿轮啸叫声源于齿轮啮合循环期间刚度的变化，这由齿轮几何结构和轮齿之间的接触行为定义。这些激励下动力总成的结构响应会导致过度噪声。

鉴于此，西门子工业软件的开发团队提供了完整的电驱动系统动力学仿真分析解决方案：

1、电机建模与仿真分析

利用Simcenter Motorsolve软件快速建立基于模板的参数化电机模型，可以快速地进行性能仿真以便获取反电动势、电流、转矩、效率图等，也可以进行动力学仿真分析以便更加精确地得到转矩和电磁力，而且可以进一步详细考虑分段斜槽/斜极的影响。计算得到的电磁力和力矩可以导出到Simcenter 3D Acoustics用于NVH仿真，也可以导出到Simcenter 3D Motion的电驱动总成模型中通过施加刚柔耦合的电磁力与减速器模型耦合，计算电磁力影响下的轴承力，从而综合考虑电磁力和机械力的耦合作用，获取更加精确的NVH仿真的激振力输入。

2、减速器建模与仿真分析

利用Simcenter 3D Motion Transmission Builder软件快速建立参数化的减速器模型，齿轮啮合力可以精确考虑齿轮的宏观设计参数和微观修型参数，装配误差等，能够精确模拟齿轮啮合的时变刚度以及传递误差，同时该软件还集成了轴承模型库，可以建立轴承模型，考虑轴承刚度和阻尼的影响，从而更加精确地获取减速器壳体的轴承激振力。

3、电磁力与减速器模型耦合仿真

将电机模型中的电磁力导入到减速器模型中，从而综合考虑电磁力和机械力的耦合作用，获取更加精确的NVH仿真的激振力输入。

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传统的电驱动系统NVH仿真

图1：传统的电驱动系统NVH仿真流程

传统的电驱动系统NVH仿真分析一般都是分别对电机的电磁载荷和减速器的齿轮传动载荷进行仿真分析，如上图仿真流程所示，分别评估电磁载荷和轴承力对电驱壳体的NVH贡献，而无法考虑电磁力对轴承力的影响。

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电机建模与仿真分析

电机建模与仿真分析采用Simcenter Motorsolve 软件。该软件可以快速建立基于模板的参数化电机模型。

图2：电磁力计算和前处理

设置好参数后，即可进行仿真分析，导出电磁力到Simcenter 3D 中进行前处理，得到3维网格映射的电磁力分布。从而进一步进行NVH仿真分析。

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减速器建模与仿真分析

利用Simcenter 3D Motion Transmission Builder软件快速建立参数化的减速器模型，进行齿轮传动载荷仿真分析。

图3 ：基于Simcenter 3D Motion Transmission Builder的变速箱多体动力学建模流程

如图3所示，在Transmission Builder当中，用户可以从齿轮传动系统的布局设置开始，参数化地定义齿轮传动系统的部件，比如轴、齿轮、轴承等，并定义部件之间的连接关系，以及齿轮详细啮合参数。

通过一键式按钮，驱动Simcenter 3D Motion建立齿轮传动系统的CAD模型，并在此基础上自动创建齿轮传动系统所需的运动副、连接单元、力单元。该工具的齿轮传动载荷计算方法可用于多种情况，包括对轮齿本身参数化研究、不对中、微观修型、齿轮变啮合刚度、考虑轮齿柔性和轮辐异形结构的柔性，该方法可以保证足够的啮合力计算精度。

图4：轴承载荷的瀑布图

如图4所示，为扫频转速工况下变速箱其中一个轴承的动态载荷的瀑布图。在图中可以看到由两级齿轮啮合的引起的主要阶次，在主要阶次旁边能看到清晰的边频。这些边频是由于带减重孔轮辐的结构柔性引起的。由此可见，使用Simcenter 3D Motion Transmission Builder提供的高级齿轮啮合算法（考虑轮齿和轮辐的柔性，齿轮为柔性体）可以精确捕捉到轮辐刚度引起的细微动态响应。

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下一代电驱动系统NVH仿真

要跟踪啸叫噪声的相关影响，需要有关部件的详细信息，例如电磁激励、微观几何修型、齿轮刚度等。Simcenter 3D Motion刚柔耦合的电磁力允许您在统一的过程中捕获齿轮和电机的啸叫声。刚柔耦合的电磁力考虑了机械和电磁的耦合效应，以提供更精确的轴承力载荷。引起壳体表面振动的轴承力综合考虑了电磁激励和齿轮啮合激励的效应。刚柔耦合的电磁力允许您有效地将电磁负载应用于定子柔性体，而无需附加建模或考虑定子齿的附加静态模式。全新的电驱动系统NVH仿真流程如下图所示：

图5：全新的电驱动系统NVH仿真流程

全新的基于多体动力学的刚柔耦合的电磁力仿真分析流程如下表所示：

表1：刚柔耦合的电磁力仿真流程

下图是Simcenter 3D Motion中创建的刚柔耦合的电磁力。

图6：Simcenter 3D Motion中创建刚柔耦合电磁力

下图是仿真结果实例，可以看出，当考虑刚柔耦合的电磁力的影响时，从轴承力的瀑布云图里面可以清楚地捕捉到电机电磁力的阶次，从而清晰地反映电磁力对轴承力的影响效应。

图7：刚柔耦合的电磁力对轴承力的影响效应

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总结

西门子工业软件提供完整的电驱动系统动力学仿真分析解决方案，包括电机建模仿真工具Simcenter Mortorsolve，减速器建模仿真工具Simcenter 3D Motion Transmission Builder。同时开发了全新的刚柔耦合电磁力仿真分析方法，使得将电机模型中的电磁力导入到减速器模型中，从而综合考虑电磁力和机械力的耦合作用，获取更加精确的NVH仿真的激振力输入成为可能。而且通过Simcenter 3D 仿真工具平台，可以进一步方便地基于获取的激振力进行NVH仿真分析。Simcenter工程咨询与服务将帮助您快速地应用西门子工业软件的一整套电驱动系统NVH仿真解决方案，从而解决电驱动系统总成设计研发中的NVH问题。