基于动力学仿真的电驱减速箱NVH性能优化方案

发布时间:2023-01-30  

针对某新能源MPV电驱减速箱NVH问题,建立减速箱齿轴系多体动力学及壳体结构动力学有限元模型,进行约束模态及轴承内载工况下共振频率带内壳体谐响应分析。初始方案仿真结果与NVH台架验证试验相比:共振频率相对误差-7.21%,振动速度幅值最大相对误差10.53%,仿真建模合理且结果指向性明显。


近年来电动汽车快速发展,对包含驱动电机、控制器及减速箱的电驱总成振动噪声的要求越来越高。对于本身内部含有动力源的箱式动力结构,在实际工作过程中,由于工况的频繁改变,柔性较大的构件可能产生振动。电驱总成工作过程中,特定的驱动电机定、转子结构产生阶次扭矩脉动,通过齿轮轴及轴承传递到减速箱壳体,引起壳体振动,对外辐射出噪声,严重影响整车品质及用户体验。因此有必要分析减速箱噪声产生机理及影响因素,在设计初期,通过减振降噪设计尽量避免可能产生的NVH问题。在设计后期,通过工程手段有效控制减速箱振动,降低噪声水平,提升整车舒适性。

f295397a-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

研究表明,齿轮系统噪声声源主要有:齿轮系统本身轮齿啮合的动态激励、原动机(发动机、电动机等)的振动以及工作机构的振动和负载变化等。某新能源MPV整车NVH性能评估过程中,客户抱怨电驱总成减速箱后壳体靠近半轴位置存在明显的~2274Hz,对应电机转速~3790rpm的36阶噪声问题,并提出NVH性能优化要求。


本文基于初始方案减速箱动力学建模与仿真,进行壳体约束模态及共振频率下谐响应分析,设计NVH台架试验,验证当前模型的准确性,并提出壳体优化方案进行了仿真验证。通过降低壳体关键振动区域及最大振动区域表面振动速度幅值,达到电驱总成减振降噪的目标。


1 机械结构振动理论

系统受到外界持续的激励作用而“被迫地””产生振动,其振动特性除取决于系统本身的特性外,还取决于激励的特性。单自由度有阻尼机械系统在简谐激励力作用下的强迫振动运动微分方程为:

f2a6b9ca-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

(1)

f2ae06c6-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

代入方程式(1),得:

f2b4d820-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

(2)

微分方程式(2)是一个二阶线性常系数非齐次微分方程式。它的通解可以用二阶线性常系数齐次微分方程式的通解x1(t)和方程式(2)特解x2(t)之和来表示:

x=x1(t)+x2(t)

(3)

式中,x1(t)代表阻尼系统的自由振动,在小阻尼的情况下,这是一个衰减振动,在开始振动后某一较短的时间内有意义,随着时间的增加,它将衰减下去。当仅研究受迫振动中的持续的等幅振动时,可以略去x1(t)。

x2(t)表示阻尼系统中的受迫振动,称为系统的稳态解。从微分方程式非齐次项是正弦函数这一性质,可知特解的形式也是正弦函数,它的频率与激振频率相同。因此可设特解为:

x2(t)=Bsin(ωt-ψ)

(4)

式中B—受迫振动的振幅;Ψ—位移落后于激振力的相位角。

将x2(t)及其一阶、二阶导数代入方程式(2)中,可解出B与Ψ为:

f2bba470-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

(5)

f2c284ca-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

(6)

f2cdb67e-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

得:

f2d59f24-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

(7)

f2e32d74-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

(8)

2015年,宿州农资市场出现剧烈震动,依靠价格优势起家的谭凤明依然停留在抓行情、拼价格的经营模式上,结果导致公司的销量出现明显下滑。对此,谭凤明坦言:“由于从业时间久,形成了思维定势,最初在应对竞争压力时的主要手段还是价格战,但拼价格对于正规经营的企业来说是个两败俱伤的选择,时间一久就难以承受。”越发激烈的价格战和假冒伪劣产品的冲击,迫使谭凤明不得不认真思考企业的出路。通过对厂家、零售商、农户的大量走访调研,他逐渐认识到,肥料市场风起云涌的背后是中国农业转型升级这一不可逆转的趋势在推动,市场需求和行业发展逻辑发生了根本的改变。

2 初始方案建模、仿真及试验验证f2f3965a-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.png2.1 减速箱动力学建模

2.1.1 齿轴系多体动力学建模

齿轮传动分析软件MASTA中,建立包含轴、齿轮及轴承的多体动力学仿真模型,如图1所示。基于整车NVH性能评估边界条件,计算电机转速3 790 rpm,输出功率45 kW工况下,减速箱输入轴、中间轴及输出轴轴承载荷。

2.1.2 壳体结构动力学建模

有限元分析软件ABAQUS中,建立包含前、后壳体的减速箱壳体结构动力学有限元模型,如图2所示。约束电机端面及减速箱悬置孔,计算前6阶壳体约束模态。基于整车NVH性能评估提供的共振频率2 274 Hz,进行共振带1 800~2 800 Hz范围内轴承载荷激励下壳体谐响应分析,计算频率间隔10 Hz。

f302acbc-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图1 减速箱齿轴系多体动力学模型

Fig.1 MBS model of gear train

f30bccac-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图2 壳体结构动力学有限元模型

Fig.2 FEA model of gear box housing

2.2 动力学仿真结果

2.2.1 约束模态分析

前六阶壳体约束模态如图3所示,其中一阶固有频率2 208 Hz,振型为后壳体输出轴承座下端面轴向呼吸变形。二阶固有频率2 613 Hz,振型为后壳体输出轴承座右端面轴向呼吸变形。三阶固有频率2 752 Hz,振型为前壳体输入轴承座左端面轴向呼吸变形。四阶固有频率2 960 Hz,振型为后壳体中间轴承座右端面、输出轴承座右端面轴向呼吸变形。五阶固有频率3 317 Hz、六阶固有频率3 474 Hz,均为对噪声敏感度较低的壳体局部振型。

f324d13e-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

一阶模态,固有频率2 108 Hz

f32ff0aa-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

二阶模态,固有频率2 613 Hz

f33ecbca-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

三阶模态,固有频率2 752 Hz

f34a173c-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

四阶模态,固有频率2 960 Hz

f357a4ce-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

五阶模态,固有频率3 317 Hz

f35fad36-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

六阶模态,固有频率3 474 Hz

图3 前6阶壳体约束模态

Fig.3 Constraint modal of gear box housing

2.2.2 谐响应分析

谐响应壳体共振频率2 110 Hz,与约束模态结果吻合。后壳体表面振动速度云图如图4所示,壳体最大振动区域为输出轴轴承座下端面,节点2312,速度幅值11.41 mm/s。

壳体受迫振动过程中,无约束的大平面且薄壁结构对辐射噪声的贡献度最大。考虑后续NVH台架试验传感器布置空间,标记中间轴轴承座节点4304,输出轴轴承座节点9 395,定义为壳体关键振动区域。共振带1 800~2 800 Hz范围内,后壳体不同区域速度幅频特性曲线如图5所示,中间轴承座振动速度幅值6.30 mm/s,输出轴轴承座振动速度幅值2.91 mm/s。

f2f3965a-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.png2.3 仿真模型试验验证

2.3.1 NVH台架验证试验

台架振动测点安装位置与仿真选取的后壳体关键振动区域保持一致,传感器布置如下:减速箱后壳体中间轴轴承座、输出轴轴承座,如图6所示。

f3713466-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图4 共振频率下,壳体表面振动速度

Fig.4 VibraTIon velocity under resonance frequency

f379d558-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图5 后壳体关键振动区域表面振动速度

Fig.5 VibraTIon velocity on criTIcal surface

标定电机恒定输出功率45 kW,转速1 000 rpm~10 800 rpm工况下,测试壳体关键区域表面振动速度。

f382de96-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图6 后壳体振动测点布置

Fig.6 Sensor locaTIon on rear housing

NVH台架试验验证结果显示:减速箱壳体共振频率~2 274 Hz,对应电机转速~3 790 rpm,与整车NVH性能评估结果吻合。减速箱后壳体中间轴轴承座测点振动速度幅值5.70 mm/s,如图7所示,输出轴轴承座测点振动速度幅值2.64 mm/s,如图8所示。

2.3.2 仿真结果与试验对比

壳体结构动力学仿真结果与NVH台架验证试验结果相比,减速箱共振频率相对误差-7.21%,小于8%,满足仿真模型精度要求。中间轴轴承座振动速度幅值相对误差10.53%,输出轴轴承座振动速度幅值相对误差10.23 mm/s,如表1所示。仿真结果指向性明显,仿真建模及结果合理。

f389f67c-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图7 中间轴承座表面振动速度

Fig.7 Vibration velocity on middle bearing surface

f39280bc-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图8 输出轴承座表面振动速度

Fig.8 Vibration velocity on output bearing surface

表1 仿真与试验验证对比

Table 1 Correlation between simulation and bench test measurement

f3a1603c-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

注:因试验台架传感器布置空间局限,最大振动区域无测试值

3 优化方案及仿真验证 3.1 壳体结构优化f2f3965a-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

壳体关键振动区域在36阶电机扭矩激励下,产生共振响应。采取措施阻断激振力的传递,对于薄弱区域采用增加加强筋的方式对结构进行优化设计,可以降低减速器表面辐射噪声。根据一阶共振振型及关键振动区域轴承力传递路径,优化方案设计如下:加强输出轴承径向支撑,如图9所示,增加中间轴承轴向支撑,如图10所示。

3.2 优化方案仿真结果

辐射噪声由壳体表面振动引起,近场声压与壳体有效振动面积上的振动烈度强相关。共振频率下,初始方案与优化方案壳体表面振动速度如图11、12所示,壳体优化后,表面振动速度明显降低。初始方案与优化方案有效振动面积如图13、14所示,壳体优化后,有效振动面积有所降低。

f3bc0158-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图9 优化输出轴承座内侧加强筋

Fig.9 Rib optimization at output bearing inner side

f3c3b150-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图10 优化中间轴承座外侧加强筋

Fig.10 Rib optimization at middle bearing outer side

f3c9f5ec-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图11 初始方案,表面振动速度@2 110 Hz

Fig.11 Original housing vibration velocity at 2 110 Hz

f3d38bde-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图12 优化方案,表面振动速度@2 110 Hz

Fig.12 New housing vibration velocity at 2 110 Hz

f3db1af2-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图13 初始方案,壳体有效振动面积

Fig.13 Original housing vibration surface

f3e21ffa-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图14 优化方案,壳体有效振动面积

Fig.14 New housing vibration surface

优化方案与原始方案相比,共振频率下,关键振动区域中间轴承座表面振动速度降低11.43%,输出轴轴承座表面振动速度降低7.22%,最大振动区域表面振动速度降低12.97%,壳体有效振动面积降低17.08%,如表2所示,优化方案的减振目标明显。

表2 优化方案仿真对比

Table 2 Simulation correlation between new housing and original housing

f3ec584e-9f30-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

4 结论

本文针对电驱减速箱NVH问题,建立初始方案减速箱动力学模型,进行测试边界条件下壳体约束模态及谐响应振动仿真。基于NVH试验验证过的仿真模型,提出壳体优化方案并进行仿真验证,结论如下:

(1) 减速箱壳体在36阶电机扭矩激励下,产生一阶共振,振型表现为后壳体输出轴承座下端面轴向呼吸变形,引起3 790 rpm转速下2 274 Hz的阶次辐射噪声;

(2) 初始方案仿真结果与NVH台架验证试验相比,共振频率相对误差7.21%,中间轴轴承座振动速度幅值相对误差10.53%,输出轴轴承座振动速度幅值相对误差10.23%。仿真结果指向性明显,当前仿真模型及结果合理;

(3) 以关键振动区域轴承力作用方向为传递路径的起点,通过新增加强筋,增强原有加强筋支撑,优化中间轴承座轴向刚度及输出轴承座径向刚度;

(4) 优化方案仿真结果表明:中间轴承座表面振动速度降低11.43%,输出轴轴承座表面振动速度降低7.22%,最大振动区域表面振动速度降低12.97%,壳体有效振动面积降低17.08%,优化方案减振效果明显。


文章来源于:电子工程世界    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

相关文章

    降低运行噪音和振动,对切削、 磨削加工工艺技术要求高;广,即产品广泛适用于众多行业。 减速机依照传动原理可分齿轮减速机蜗轮蜗杆减速机与行星齿轮减速机。齿轮 减速机箱体内结构相对紧凑,设计难度较低,是应用最为广泛的减速机......
    器是连接电源和驱动器的中间装置。一般来说,它将高速动力(如电机和内燃机)传递到更高的扭矩,将输入轴连接到松树输出轴的高速齿轮上。目前,成熟和标准化的减速器包括圆柱齿轮减速器、涡轮减速器、行星齿轮减速器,RV减速器、循环销齿轮减速器和谐波减速......
    器总需求量为93.11万台,同比增长 78.06%。其中增量需求82.41万台,同比增长95.05%;存量替换量为 10.70 万台,同比增长6.57%。 常见的减速器有行星齿轮减速机......
    。步进电机装配的减速机有行星减速机蜗轮蜗杆减速机、平行齿轮减速机、丝杆齿轮减速机。 步进电机行星减速机精度怎么样? 减速机精度也称为回程间隙,将输出端固定,输入......
    直接连接或90°垂直安装等减速器的类型和安装方式。 特别是蜗轮减速器的选择有具体的应用场景。例如,整个动作机构都需要锁。我们总是有这样的设计要求。例如,传动装置是垂直安装的。为了防止停电后机构脱落,通常选择蜗轮减速......
    器、分流式减速器和同轴式减速器。 一般的伺服电机转速会比较高,对于普通的齿轮减速机是不能和伺服电机搭配使用的,在高转速的情况下会导致齿轮减速机的密封圈老化、过热等现象。一般的减速机......
    提供不同的速度和扭矩输出。下面我们将详细介绍减速机的结构。 二、减速机的结构 2.1 共齿轮减速机 共齿轮减速机在工厂内客户机械驱动过程中都非常常见。它使用两个相似的轴上安装的两个齿轮来完成传递动力和减速......
    器主要有两类: RV减速器和谐波减速器 1、RV减速器和谐波减速器的原理和优劣势 RV减速器 用于转矩大的机器人腿部腰部和肘部三个关节,负载大的工业机器人,一二三轴都是用RV。相比谐波减速机......
    在啤酒饮料行业中的能力及优势诺德可为啤酒饮料行业中的各环节提供完善的驱动解决方案,如伞齿轮减速机、NORDBLOC.1减速机、SMI蜗轮蜗杆减速机、IE4电机以及新推出的DuoDrive减速电机等,它们......
    业机器人重复定位的精度和定位精度提出了高要求。因此,有必要使用减速器来提高和确保工业机器人的精度。工业机器人中常用的减速器有哪几种?区别是什么? 工业机器人常用减速器类型 1.RV减速RV减速......

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>