基于MASTA 的電驅傳動系統性能開發

孟 靜，馬志偉，吳 哲，邢明星，王建龍

（長城汽車股份有限公司，河北 保定 071066）

0 引言

傳統電驅傳動系統包括電機、減速器、控制器三部分。人們對動力單元的核心需求是：（1）響應要快，動力要猛；（2）效率要高，能耗要?。唬?）故障率低，皮實耐用，穩定可靠。探討基于MASTA（Smart Manufacturing Technology）軟件對某電驅傳動系統的電機和減速器的性能開發，通過試驗結果與仿真計算的對比情況，論證了性能開發在產品開發過程中的重要作用。

1 方案設計及模型搭建

當前比較成熟的電驅傳動系統是傳統的單擋兩級減速器，從電機直接到差速器。這里討論的是一款兩檔電驅系統（圖1）。為縮短總成長度同時保證輕量化，該電驅傳動系統設計的是電機和減速器集成式殼體。

圖1 總成棍圖

應用MASTA 軟件搭建仿真模型，搭建分為兩個部分：減速器部分和電機部分，其中電機模型見圖2所示，減速器模型如圖3 所示。

圖2 電機模型

圖3 減速器模型

2 減速器可靠性仿真及試驗驗證

根據整車道路試驗采集的實際載荷譜轉化成變速器30 萬公里計算載荷譜，利用此載荷譜對減速器進行設計仿真和試驗驗證。

基于MASTA 軟件，考慮系統變形導致的齒輪錯位，進行齒輪接觸和彎曲強度校核，并進行齒輪膠合分析[1]。本研究用Masta 軟件并用ISO6336 標準進行的齒輪強度校核和膠合分析。

齒輪的計算結果顯示,齒輪的彎曲安全系數大于1.2，接觸疲勞安全系數大于1.1，見表1。膠合安全系數（閃溫法）＞1.5，膠合安全系數（積分溫度法）＞2.0，見表2。齒輪強度滿足設計載荷譜要求。

表1 齒根和齒面安全系數

表2 齒面抗膠合安全系數

整箱耐久試驗完成后，進行拆解（圖4），各軸齒無異常磨損、嚴重點蝕等失效。軸承無點蝕、燒傷、剝落、卡滯。螺栓擰緊力矩無下降，各項指標滿足試驗要求。

圖4 耐久試驗后齒輪和軸承形態

3 NVH 激勵仿真分析及試驗驗證

電驅傳動系統NVH 激勵分為減速器齒輪激勵和電機的電磁激勵兩大部分。

3.1 減速器齒輪NVH 激勵仿真分析

可靠性與NVH 都是系統級別的問題，精確計算系統變形是輕量化與低噪音電驅傳動系統設計的必要基礎[2]。

從設計角度保證系統剛度波動較低，MASTA 軟件可以在考慮系統變形的基礎上計算齒輪嚙合錯位量的波動，系統剛度波動小，齒輪嚙合錯位量波動就低，從而能確保得到最佳的齒輪微觀修形，改善齒面接觸區域，降低傳遞誤差[3]。如圖5 所示，傳遞誤差從修形前的0.6 μm 降低到0.2 μm，減小了NVH 激勵。

圖5 修形優化前后齒面接觸和傳遞誤差

3.2 電機NVH 激勵仿真分析

依據設計方案搭建的電機模型，按照電機外特性曲線設置輸入載荷，將計算得到的扭矩波動和電磁力作為激勵可以鏈接到MASTA 系統模型中，計算電機NVH 響應。

3.3 試驗驗證結果

在消聲室臺架進行電驅總成振動噪聲試驗，試驗結果（圖6），不同工況下電驅總成噪聲最大為75 dB，滿足設計要求。

圖6 臺架NVH 試驗結果

4 傳遞效率仿真計算與試驗驗證

4.1 減速器效率

MASTA 軟件依照ISO14179 標準對零件損耗進行計算，其中包括由齒輪嚙合、氣流和攪拌引起的齒輪功率損耗以及軸承損耗。通過圖7 看出效率仿真和試驗結果趨勢一致，表明MASTA 軟件效率仿真可有效指導提升減速器效率設計。

圖7 仿真與試驗對比

4.2 電機效率

MASTA 軟件的電機設計模塊可以計算電機的效率[4]，其中主要包括繞組損耗、定子滯后損耗、轉子滯后損耗、定子渦流損耗、轉子渦流損耗和磁損耗。

通過仿真（圖8）和試驗結果（圖9）的對比，可以看出兩者整體趨勢一致，可以通過修正電機的相關設計尺寸，有效指導提升電機效率的設計。

5 結論

通過MASAT 仿真與臺架試驗相結合的方法進行研究，得到如下結論：

（1）MASTA 軟件可以對變速器軸齒件可靠性進行準確的性能仿真計算，通過參數設計和優化校核軸齒及軸承強度，保證系統變形較低，軸齒嚙合平穩，對減速器正向設計提供指導。

（2）MASTA 軟件的電機設計可以和整個系統模型耦合來評估系統對電機產生的扭矩和力的動態響應，以此作為系統激勵來評估電機的NVH。

（3）MASTA 軟件可以對減速器和電機效率分別進行仿真計算，通過積累仿真和試驗數據，對比分析，從而指導減速器和電機效率提升的正向開發設計。

（4）隨著MASTA 軟件應用的不斷深入，縮短了電驅傳動系統的項目開發周期，減少了樣機和試驗數量，從而大幅降低了開發成本。