電驅動系統減速器剛柔耦合動力學建模及振動噪聲優化

金長明

（合肥安迅精密技術有限公司，安徽 合肥 230088）

電驅動系統作為我國未來發展的關鍵，其使用覆蓋范圍日益提高，且其行業地位也日益提高，有關人員對其關注度不斷提高。對其發展進行分析發現，電驅動系統振動噪聲問題成了限制其發展的主要原因，實際優化中，可以嘗試以電驅動系統減速器剛柔耦合動力學模型為切入點，針對振動噪聲展開分析，明確最終優化。

1 電驅動系統動力學建模及振動噪聲研究現狀

1.1 電驅動系統動力學建模

通過對現有資料進行收集整理可知，現階段，驅動電機與減速器的一體化電驅動系統動力學模型為劣勢內容，研究人員對其關注度較低，在所構建的耦合電磁激勵與齒輪傳遞誤差激勵模型中，都滲透有其內部結構組成耦合變形內容。下面針對驅動電機系統建模與一體化電驅動系統動力學建模進行了闡述：

1.驅動電機振動噪聲建模：現階段，此方面內容常用建模手法有很多，比如數值計算方法、解析計算方法、半解析計算方法等。從本質上進行分析，驅動電機電磁振動噪聲計算具有復雜性特點，包括眾多類型問題，比如電磁場、結構模態、振動相應等。借助上述方法可以高速、優質地完成電磁力計算，模擬出其在自然狀態下的振動噪聲情況[1]。

2.一體化電驅動系統動力學建模方法：現階段與此方面有關的研究內容較少，在之前，有關人員的關注內容主要包括兩方面內容，分別是齒輪傳動系統噪聲與驅動電機振動噪聲。結合電驅動系統NVH 特性研究成果可知，驅動電機振動噪聲來源多為徑向電磁力，研究人員經常忽略電磁切向力所造成的影響。即在使用一體化電驅動系統動力學建模分析NVH 特性展開研究時，研究人員需提高對電驅動系統整體耦合建模的關注度，以提高分析結果權威性與科學性。

1.2 電驅動系統振動噪聲優化

現階段與電驅動系統振動噪聲優化的研究內容主要包括兩方面，分別是電機本體振動噪聲優化與減速器本體振動噪聲優化，具體內容如下：

1.電驅動系統減速器振動噪聲優化方法：現階段導致電驅動系統減速器或變速器產生較為嚴重的噪聲問題的主要原因有兩種，分別為齒輪嘯叫噪聲與非承載齒輪副出現的齒輪敲擊噪聲。即研究人員應以上述兩方面為切入點展開詳細研究，目前技術人員常用優化方法有三種，分別是NVH 激勵源、優化傳遞路徑以及優化殼體響應。

2.電驅動系統驅動電機振動噪聲優化方法：現階段，驅動電機振動噪聲主要包括三類，分別是電磁噪聲、機械噪聲以及空氣動力噪聲。由于不同噪聲出現原因不同，因此所使用優化方法也存在一定差異。即在實際工作中，技術人員需結合實際情況制定具體優化方案。

2 電驅動系統剛柔耦合動力學建模

2.1 電機及箱體柔性有限元建模

該部分建模工作在整體建模中占有重要地位，所構建有限元模型可以影響計算振動噪聲計算速度與計算結果準確性。通常情況下，在針對此部分內容進行建模時，需要將其劃分為電機殼體、定子、轉子、電磁力施加方式四部分，然后根據具體結構選擇具體建模方式，下面以電驅動系統箱體與電機定子為研究對象，闡述有限元建模方式[2]。

所使用電驅動系統箱體為“三合一”類型，包括減速器殼體、電機以及控制器殼體三部分，其中電機定子與電驅動系統箱體二者存在連接關系。在其運行過程中，電驅動系統箱體需要承擔系統整體耦合變形、嚙合錯位以及系統動力學所造成的影響，正因如此，其自身具有較為復雜的彈性結構，因此選擇有限元建模方式，借助電機定子幫助約束與箱體建立連接關系，然后將其加入到系統整體動力學方程之中[3]。

需要注意的是，在建設有限元模型時，技術人員需要掌握電機定子與電驅動箱體的密度、楊氏模量以及泊松比，以確定優化方案，其基本定義如表1 所示。

表1 電驅動系統材料屬性定義

2.2 彈性軸段單元動力學建模

技術人員在面對減速器傳動軸、簡化型電機轉子、規則化齒輪輪輻等類型部件時，可使用鐵木辛柯梁單元完成動力學建模。之所以選擇該建模方式，主要是因為借助此類型模型可以幫助技術人員實時掌控構件情況，了解其運行狀態，提高減速器運行穩定性。需要注意的是，在模型構建過程中，技術人員需要使用有限元法，也就是說需要使用公式（1）所代表的可以代表自由度的單元位移量。

公式（1）中子元素所代表內容如圖1 所示。

圖1 軸段單元坐標系定義

3 電驅動系統減速器振動噪聲及優化

3.1 電驅動系統減速器振動噪聲臺架試驗方案

為明確電驅動系統減速器振動噪聲出現原因及所造成的危害，在實際工作中，以借助假設T 型試驗臺進行測試。需要注意的是，在架設過程中應結合實際需求選擇測試設備，明確設備安裝位置[4]。測試條件與試驗工況如下：

1.電驅動系統減速器振動噪聲測試設備：在試驗過程中，技術人員需要使用比利時LMS SCADAS Mobile 便攜式移動數采系統，該系統具有4～40 個通道，且每個通道采樣率均為204.8kHz，分辨率為24 位，信噪比為105dB，數據傳輸率為3.8M 采樣點/秒。同時，在測試過程中，技術人員還需要使用測試軟件完成數據實時記錄分析。

2.電驅動系統減速器測試條件及工況：具體情況如表2、表3 所示。

表2 電驅動系統減速器振動噪聲測試條件

表3 電驅動系統減速器振動噪聲測試工況

3.2 結果分析

3.2.1 電驅動系統減速器噪聲信號分析

結合上述測試結果進行分析可知，電驅動系統減速器出現位置為傳聲器處，伴隨軸轉速不斷提高，噪聲呈現為階次提高狀態，其中第23 階與46 階噪聲最為明顯。結合階次跟蹤定理可知，23 階與46 階噪聲為電驅動系統1 級減速器齒輪副的1 倍與2 倍，即在優化過程中，技術人員應將電驅動系統減速器1 級嚙合齒輪副處的噪聲優化為主要工作內容[5]。

3.2.2 電驅動系統箱體振動信號分析

在該次實驗中，電驅動箱各處振動變化趨勢與加速度二者之間均存在正相關關系，即加速度越快，噪聲越大。

3.2.3 25Nm 加速工況測試結果

M1 與M2 均存在非常明顯的階次噪聲，且第23 階與46 階為噪聲發生變化的主要區域。結合測試結果與階次跟蹤定理可知，為降低階次噪聲對減速器運行的影響程度，在電驅動系統減速器運行期間，技術人員可以通過優化第二季減速器齒輪來提高傳遞準確率，以此來降低誤差。

3.2.4 -20Nm 滑行工況測試結果

在該工作情況下，齒輪仍存在非常明顯的嚙合階次情況，但相對于25Nm 工況而言，該情況得到了明顯改善，且傳感器M1 噪聲階次變化節點變為了四個，分別是9.95 階、23 階、46 階以及69 階，同時傳感器M2在46 階與69 階處并未出現明顯噪聲情況，其振動噪聲情況有所緩解[6]。

3.2.5 空載滑行工況測試結果

在空載狀態下，電驅動系統減速器振動噪聲明顯小于轉矩負載情況時所產生的振動噪聲，且階次變化較弱。

4 結語

通過本文研究可知，導致電驅動系統減速器發生振動噪聲的原因有很多，比如載荷/扭矩工況、嚙合錯位量、加工制造誤差、輕量化輪體結構等，因此在實際工作中，技術人員可以通過對上述情況進行優化來降低電驅動系統減速器振動噪聲。目前，擴大電驅動系統覆蓋范圍屬于我國熱門研究內容，因此在控制電驅動系統減速器振動噪聲時，還需要保證電驅動系統減速器性能不會受到影響，以確保其發展不受影響，幫助我國早日完成可持續發展建設。