電驅(qū)動系統(tǒng)減速器剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)建模及振動噪聲優(yōu)化

金長明

（合肥安迅精密技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

電驅(qū)動系統(tǒng)作為我國未來發(fā)展的關(guān)鍵，其使用覆蓋范圍日益提高，且其行業(yè)地位也日益提高，有關(guān)人員對其關(guān)注度不斷提高。對其發(fā)展進行分析發(fā)現(xiàn)，電驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲問題成了限制其發(fā)展的主要原因，實際優(yōu)化中，可以嘗試以電驅(qū)動系統(tǒng)減速器剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型為切入點，針對振動噪聲展開分析，明確最終優(yōu)化。

1 電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模及振動噪聲研究現(xiàn)狀

1.1 電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模

通過對現(xiàn)有資料進行收集整理可知，現(xiàn)階段，驅(qū)動電機與減速器的一體化電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型為劣勢內(nèi)容，研究人員對其關(guān)注度較低，在所構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)組成耦合變形內(nèi)容。下面針對驅(qū)動電機系統(tǒng)建模與一體化電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模進行了闡述：

1.驅(qū)動電機振動噪聲建模：現(xiàn)階段，此方面內(nèi)容常用建模手法有很多，比如數(shù)值計算方法、解析計算方法、半解析計算方法等。從本質(zhì)上進行分析，驅(qū)動電機電磁振動噪聲計算具有復(fù)雜性特點，包括眾多類型問題，比如電磁場、結(jié)構(gòu)模態(tài)、振動相應(yīng)等。借助上述方法可以高速、優(yōu)質(zhì)地完成電磁力計算，模擬出其在自然狀態(tài)下的振動噪聲情況[1]。

2.一體化電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模方法：現(xiàn)階段與此方面有關(guān)的研究內(nèi)容較少，在之前，有關(guān)人員的關(guān)注內(nèi)容主要包括兩方面內(nèi)容，分別是齒輪傳動系統(tǒng)噪聲與驅(qū)動電機振動噪聲。結(jié)合電驅(qū)動系統(tǒng)NVH 特性研究成果可知，驅(qū)動電機振動噪聲來源多為徑向電磁力，研究人員經(jīng)常忽略電磁切向力所造成的影響。即在使用一體化電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模分析NVH 特性展開研究時，研究人員需提高對電驅(qū)動系統(tǒng)整體耦合建模的關(guān)注度，以提高分析結(jié)果權(quán)威性與科學(xué)性。

1.2 電驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲優(yōu)化

現(xiàn)階段與電驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲優(yōu)化的研究內(nèi)容主要包括兩方面，分別是電機本體振動噪聲優(yōu)化與減速器本體振動噪聲優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

1.電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲優(yōu)化方法：現(xiàn)階段導(dǎo)致電驅(qū)動系統(tǒng)減速器或變速器產(chǎn)生較為嚴(yán)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(xiàn)的齒輪敲擊噪聲。即研究人員應(yīng)以上述兩方面為切入點展開詳細(xì)研究，目前技術(shù)人員常用優(yōu)化方法有三種，分別是NVH 激勵源、優(yōu)化傳遞路徑以及優(yōu)化殼體響應(yīng)。

2.電驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電機振動噪聲優(yōu)化方法：現(xiàn)階段，驅(qū)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(xiàn)原因不同，因此所使用優(yōu)化方法也存在一定差異。即在實際工作中，技術(shù)人員需結(jié)合實際情況制定具體優(yōu)化方案。

2 電驅(qū)動系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)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(gòu)建有限元模型可以影響計算振動噪聲計算速度與計算結(jié)果準(zhǔn)確性。通常情況下，在針對此部分內(nèi)容進行建模時，需要將其劃分為電機殼體、定子、轉(zhuǎn)子、電磁力施加方式四部分，然后根據(jù)具體結(jié)構(gòu)選擇具體建模方式，下面以電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)箱體二者存在連接關(guān)系。在其運行過程中，電驅(qū)動系統(tǒng)箱體需要承擔(dān)系統(tǒng)整體耦合變形、嚙合錯位以及系統(tǒng)動力學(xué)所造成的影響，正因如此，其自身具有較為復(fù)雜的彈性結(jié)構(gòu)，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(guān)系，然后將其加入到系統(tǒng)整體動力學(xué)方程之中[3]。

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

表1 電驅(qū)動系統(tǒng)材料屬性定義

2.2 彈性軸段單元動力學(xué)建模

技術(shù)人員在面對減速器傳動軸、簡化型電機轉(zhuǎn)子、規(guī)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(xué)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(shù)人員實時掌控構(gòu)件情況，了解其運行狀態(tài)，提高減速器運行穩(wěn)定性。需要注意的是，在模型構(gòu)建過程中，技術(shù)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(nèi)容如圖1 所示。

圖1 軸段單元坐標(biāo)系定義

3 電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲及優(yōu)化

3.1 電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲臺架試驗方案

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

1.電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲測試設(shè)備：在試驗過程中，技術(shù)人員需要使用比利時LMS SCADAS Mobile 便攜式移動數(shù)采系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸率為3.8M 采樣點/秒。同時，在測試過程中，技術(shù)人員還需要使用測試軟件完成數(shù)據(jù)實時記錄分析。

2.電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲測試條件

表3 電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲測試工況

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 電驅(qū)動系統(tǒng)減速器噪聲信號分析

結(jié)合上述測試結(jié)果進行分析可知，電驅(qū)動系統(tǒng)減速器出現(xiàn)位置為傳聲器處，伴隨軸轉(zhuǎn)速不斷提高，噪聲呈現(xiàn)為階次提高狀態(tài)，其中第23 階與46 階噪聲最為明顯。結(jié)合階次跟蹤定理可知，23 階與46 階噪聲為電驅(qū)動系統(tǒng)1 級減速器齒輪副的1 倍與2 倍，即在優(yōu)化過程中，技術(shù)人員應(yīng)將電驅(qū)動系統(tǒng)減速器1 級嚙合齒輪副處的噪聲優(yōu)化為主要工作內(nèi)容[5]。

3.2.2 電驅(qū)動系統(tǒng)箱體振動信號分析

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

3.2.3 25Nm 加速工況測試結(jié)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(fā)生變化的主要區(qū)域。結(jié)合測試結(jié)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(qū)動系統(tǒng)減速器運行期間，技術(shù)人員可以通過優(yōu)化第二季減速器齒輪來提高傳遞準(zhǔn)確率，以此來降低誤差。

3.2.4 -20Nm 滑行工況測試結(jié)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(jié)點變?yōu)榱怂膫€，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(xiàn)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(jié)果

在空載狀態(tài)下，電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲明顯小于轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況時所產(chǎn)生的振動噪聲，且階次變化較弱。

4 結(jié)語

通過本文研究可知，導(dǎo)致電驅(qū)動系統(tǒng)減速器發(fā)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(jié)構(gòu)等，因此在實際工作中，技術(shù)人員可以通過對上述情況進行優(yōu)化來降低電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲。目前，擴大電驅(qū)動系統(tǒng)覆蓋范圍屬于我國熱門研究內(nèi)容，因此在控制電驅(qū)動系統(tǒng)減速器振動噪聲時，還需要保證電驅(qū)動系統(tǒng)減速器性能不會受到影響，以確保其發(fā)展不受影響，幫助我國早日完成可持續(xù)發(fā)展建設(shè)。