解析永磁电机及电驱动的NVH研发过程

今天这篇文章来自麦格纳Magna，内容是关于电动汽车的电驱变速箱的计算，设计，模拟，验证。

前言：电动牵引传动装置比客车中传统使用的内燃机更安静，然而，由电动机和电力电子装置组成的电动驱动装置也必须针对NVH行为进行优化。麦格纳动力总成为相关工艺步骤的高压驱动和齿轮传动引入了一种方法。

1：声学上的挑战（AKUSTISCHE HERAUSFORDERUNGEN）

这部分在德国的小论文中基本称为引言（Einleitung）。作者提出汽车电动化是一个越来越明显的趋势。但是由于内燃机的取消和电动机的引入的电动化带来的新的振动和噪声问题必须好好重视起来，因为这和顾客体验和产品质量密切相关。

接下来就是对整个研究内容的一个综述。

电驱动器的典型声学激励机构是功率电子器件的电气开关操作，电动机的不均匀性和变速器中的齿轮中的滚动噪声，这部分如从传统的具有内燃机（VKM）的驱动器中已知的那样。



为了获得高度的声学舒适度，通过发动机支架和车辆结构的激励和传输应该尽可能低。驱动器的内部机械结构要求是在轴承点处处于低振动水平，以使声学传递结构路径中的噪声水平降低，要求还有就是要让表面振动很小，以减少通过空气中声音路径的传输。采用绝缘材料等次要措施可能会减少声音的传播，但其目的应该是尽可能降低声音辐射。

Magna的动力总成部门研发了一款高压电驱，这篇文章将重点讲讲在研发过程中的NVH优化改善问题，其中重点内容是齿轮啮合激励和驱动结构的振动。
在设计阶段，就已经必须分析和改进结构的振动特性，例如，通过以上分析可以合理安排使用箱体加筋以及达到避免悬臂质量堆积的目的。尽管电磁电路的设计侧重于关注性能和效率，但也应该考虑到设备的噪声性能。计算过的非均匀磁场力将被用作NVH模拟的输入量。

由于齿轮的滚动是周期性不均匀的过程，所以在齿轮之间产生可变的耦合刚度。这些数据被认为是NVH模拟中作为第二种激励机制。从分析中得到的结构改进将在原型机的开发中应用实施。原型机将在一个特殊的声学测试台上测量其NVH行为。这些测试结果有助于进一步改进组件，以及将其与模拟结果进行比较的作用。

2：齿轮啮合设计（VERZAHNUNGSAUSLEGUNG）

齿轮啮合的设计将按如下步骤一步一步的进行。在第一步中，根据所定义的齿轮拓扑以及其他边界条件，如目标齿轮比和安装空间，选择最佳齿数组合。这里特别注意电机的齿啮合阶次数和励磁阶次数的分离。设计应该避免今后工作过程中的粗糙声现象和波动现象。利用现在预选的齿数可以开始其宏观几何尺寸定义。

对此需要从负载能力，效率和NVH行为的三角关系中寻求一个很好的折中点。关于NVH的行为，在这一步中，需要注意轮廓覆盖和跳跃覆盖的最佳值（？）。如果找不到满意的解决方案，则会执行更改齿数，再次进行过程循环回滚操作。

对于接下来的齿轮啮合微观几何尺寸定义，需要考虑下面额外的几组参数，所有这些参数都会导致传动部件的倾斜变形：
- 非线性轴承刚度和空隙
- 轴变形（弯曲，扭曲）
- 箱体变形

由于这种优化不能针对所有的工作状况进行，因此选择对于整个系统的NVH行为是特别重要的那一工作状况。对于电动车（BEV）这是一个低负载点（？）。

为了满足承载能力和NVH行为的高要求，通常对齿进行以下校正：螺旋角校正，齿形宽度球面性，齿形高度球面性，齿头和/或齿根脚的重新定位。如果这些修改不能产生令人满意的结果，则进行进一步详细的说明。

为了大量可能的校正组合不对计算机进行分析造成太大的压力，选择软件自带的用于齿轮啮合设计的CAE工具中的自动微观几何分析的功能进行分析处理。
在这种情况下，通过接触分析计算在预定范围内检查大量不同的校正组合。在原型部件的最终设计实现之前，将根据以下结果评估各个结果：
- 宽度加载因子（Breitenlastfaktor）
- 旋转错误（Drehfehler）
- 齿轮啮合刚度的变化（Schwankungder Zahneingriffssteifigkeit）
- 负载的遮盖效应（Überdeckungunter Last）
- 效率（Wirkungsgrad）
- 齿面压力过载（Pressungsüberhöhungan der Zahnflanke）

分析结果不仅要涵盖了NVH领域，而且还要涵盖目标生命周期和损耗方面。从选择的变种组合中，将输出啮合刚度的变化过程（见图）数据，在MNoise软件中继续分析。



3：齿轮啮合布局的模拟过程（SIMULATIonSPROZESSDER VERZAHNUNGSANREGUNG）

齿轮啮合噪声评价的模拟过程一共包含三个连续的步骤。

第一步，利用多体模拟（MKS）来研究变速箱的转动部件的动态行为。尤其需要关注在齿轮接触面的啮合力的变化，因为它会动态激励整个结构（参数化的振动激励）。多体模拟模型包含齿轮和受载刚度相同的在空间固定的轴承。齿轮间的啮合将会被简化考虑，然后通过一个变化的齿轮啮合刚度来表达。这是由于需要降低计算机的运算量，节省时间。求解多体模型的任务将由软件MNoise来完成。（获得力）

第二步，将对变速箱进行有限元分析（FEA）。所建模型包含整个驱动模块和测试平台。在第一步中获得的变化的齿轮啮合力将作为激励信号，模拟相应将基于模态还原过程在频域中进行，以此可以减少数字计算。在频域中的分析在求解空间中没有瞬态响应，这也是它的一个优点。为了把阻尼行为考虑进去，可以直接在材料上加载材料阻尼，或者也可以考虑使用模态阻尼的方法。（获得速度）

第三步，将利用模拟所获得的结构的表面速度，来计算出例如表面声速或者声压等有说服力的声学数据。因为是直接计算的机构表面的速度，所以这可以用来解释近场噪声。为了能够做出远场噪音，有限元分析模型必须以这样一种方式进行扩展，即围绕结构的空域也包含在计算中。结构与周围空气空间之间的耦合，使用FEA求解器提供的映射算法执行。在空域外边缘的非反射边界条件，因此也允许模拟远场的声压级。（获得声学参数）




第一步中提到的用来模拟齿轮啮合力的多体模拟模型将考虑以下组件：

- 齿轮
- 轴
- 齿刚度变化曲线（非线性弹簧元件，通过齿轮啮合现象来描述齿轮间的耦合）
- 滚动轴承的径向和轴向刚度（使工作点线性化）
- 上游和下游的测试台组件（万向轴，刹车机构等）的质量转动惯量和扭转刚度。

齿轮对的整个MKS模型具有14个自由度，2×6自由度描述两个轴和齿轮的平移和旋转，并且对于上游和下游测试台部件的旋转需要两个另外的自由度。通过使用拉格朗日参数，更多齿轮级也可以耦合在一起（？）。

对于启动，输入端通常施加恒定的负载转矩，输出端则是线性的速度斜坡函数。在输出端设定的速度边界条件，再次使用拉格朗日参数来实现，以防止瞬态解中的数值问题（？）。

求解计算力平衡和力矩平衡方程，可以获得在整个转速范围内的（模拟所需要的）啮合力。随后使用傅里叶变换将其转换成频域，并用于模态响应模拟。

4：测量校正过程（PROZESSVALIDIERUNGMITTELS MESSUNGEN）

研发过程将以在声学实验平台上对实体样机上进行声学测试来结尾。Magna的多功能的声学实验平台不仅能够测试内燃机（VKM）的振动噪声信号，也可以测试电驱机构的驱动和受载时的振动噪声信号。测量实体图如下图所示



测量的目的是验证在驱动轴承上的整个驱动装置（电动机，变速箱和电力电子装置）的仿真模型的噪声辐射和振动行为（是否和实体机构符合）。为了获得尽可能有说服力的结论，在开始测量之前设定以下几点：

- 刚度优化设计的实验平台
- 使用优化的弹性体，将驱动器与测试台完美分离
- 和实车相近的驱动机构悬架结构

实验平台的特性将在模拟中被一一复制。因此，所有的影响都可以被考虑在内，并且在比较中是可信的。在这种前提条件下，完成所有工作模式下的空气噪声和结构噪声的测量。

由于电驱的期望主激励频率大部分在大于1kHz的范围内，所以除了传统的麦克风位置和振动测量之外，还会使用到声学摄像机（？）。它旨在提供有关驱动器上声学热点的信息，并用于解释和比较测量和模拟的辐射行为。同时，将会将模拟模型与测得的振动激励进行比较。

对比模拟和测试的结果，可以看到在所考虑的频率范围内几乎所有谐振（虚线）的一致性都非常好。在过程的各个阶段对NVH相关的参数和概念的很好一致性，显示了这个模拟模型能够很好的起到作用。最后，在验证过程尾声，还将在安装了该驱动单元的整车上，进行全滚轮工作室内测试评价。

5：结论（ZUSAMMENFASSUNG）

这对电动汽车的研发过程中充满了挑战，其振动噪声的优化就是其中之一，因为它很大程度上代表了质量和技术。

通过对比模拟结果和测量结果，整个计算过程和开发工具得到了积极的验证。利用这些成果，使得开发出完成NVH优化的电驱机构，成为可能。