【技术贴】基于CAMEO与EXCITE实现电驱系统齿轮噪声自动优化

前言       

       在汽车开发过程中，NVH性能作为的重要评估指标之一，直接关系到整车驾驶舒适性。随着汽车动力总成系统的电气化开发，新能源汽车在NVH性能开发过程中重点关注和着重解决的问题点也与传统汽车有着显著的差别。其中，电驱动总成作为纯电动车的动力源，其NVH性能是开发和关注的重点。

       对于传统动力总成而言，发动机噪声在动力总成总辐射噪声中占主导，噪声频率段覆盖较广。而电驱动总成失去了发动机噪声的掩盖，齿轮箱的噪声变得更加突出。齿轮箱主要由齿轮啮合产生的激励源经由轴承传递至壳体，引起壳体表面振动，继而经由空气传播至人耳。齿轮箱噪声主要分为敲击噪声与啸叫噪声，在我们前期《基于AVL仿真分析平台的电驱动系统NVH分析》技术贴中，详细介绍了齿轮这两种噪声类型以及产生的机理。对于电驱动系统而言，常见的减速器架构主要分为如图1所示的两级减速带副轴形式、两组行星齿轮组形式以及单组行星齿轮组带副轴形式三种类型。这三种架构中无论哪种形式，所有齿轮对在电驱动系统工作过程中均会承载，这也是电驱动总成齿轮主要噪声形式为啸叫噪声的根本原因。而啸叫作为一种窄带噪声，具有明显的恼人特性。因此，如何降低电驱动总成相应的啸叫噪声是开发者关注的重点。

图1 电驱动总成架构

在《基于AVL仿真分析平台的电驱动系统NVH分析》技术贴中，介绍电驱动总成主要噪声来源可以分为两个部分：一是电机噪声，二是齿轮噪声。现阶段，常见新能源汽车电驱动系统中电机冷却形式主要为冷却液冷却，主要噪声是由电机气隙中各谐波磁场引起的交变电磁力导致铁芯及其相关联的机械构件产生的振动电磁噪声，该类型噪声也呈现谐次特性。结合AVLeSUITE软件平台可对该部分噪声进行详细的分析以及优化，这部分内容会在后期技术贴以及相关培训中会详细说明。本期技术贴主要介绍如何借助AVLCAMEO优化工具以及EXCITE软件平台对齿轮啸叫噪声进行相应的优化。

       CAMEO开发伊始是一款定位于用于车辆系统优化和发动机台架标定的高度自动化的优化和标定工具。当前，基于模拟优化需求，AVL开发了CAMEO for simulation，基于该软件，可以方便的与AVL先进模拟技术软件进行联合仿真，用于结构及系统优化设计。其优势在于：

• 方便易用的工作流程，支持与多种CAE仿真工具的集成

• 支持在线建模和优化，在较短时间获取需要的结果

• 提供可用的模板能够自动进行数据处理减少结果筛选时间

• 计算完成后，能够输出设计变量与目标变量的相互关系，帮助工程师了解设计参数与仿真模型之间的相关性

• 在设计空间探索的样本点上可以建立响应面模型，帮助工程师通过利用现有的计算样本信息最大限度地改进产品设计

1 减速器噪声分析

        减速器工作过程中，不同的齿轮设计参数（宏观参数和微观修形）、壳体和齿轮轴柔性变形、齿轮盘的柔性变形、轴承间隙的变化均会导致齿轮啮合状态的变化，继而影响齿轮箱的NVH表现。在EXCITE搭建的动力学模型中，以上所有的影响因素均可以考虑，从而为准确模拟齿轮啸叫噪声提供了保证。

图2 啸叫噪声主要影响因素

图3 EPU 电驱总成动力学模型

图3 为某车用电驱动总成动力学模型，电磁激励在本例中不做详细考察，电机只按平均扭矩载荷加载，模型中一级齿轮齿数对主从动齿数分别为30与60。图4 为该动力总成壳体上某点各转速下振动结果，从图中可知，受到一级齿轮啮合力的影响，壳体表面在15/30/60阶谐次下振动加速度幅值会比较大，且大于140db相应的评价标准。

图4 变速器壳体振动加速度级

以转速6000rpm为例，结构体表面最大振动加速度级达到138db。图5为3000HZ时对应结构体表面振动速度云图，驱动系统变速器表面振动速度较大。结合一级齿轮对啮合结果可知，当前齿轮偏载较为严重，齿面载荷分布系数也达到1.33。对于齿轮副啮合啸叫噪声而言，产生的根本原因为齿轮的传递误差，而影响传递误差的重要因素为齿轮啮合状态。由于当前齿轮啮合偏载较为严重，导致变速箱啮合啸叫噪声更加凸显。而改善齿轮齿面啮合形式的有效办法为齿轮微观修形。

图5 变速器壳体振动加速度与振动速度云图

图6 一级齿轮齿面载荷分布    图7 齿面载荷分布系数

齿轮微观修形作为降低变速器降低啸叫噪声的主要方法，常见的齿轮修形分为齿向修形与齿廓修形，而齿廓修形分为齿顶修形，齿底修形，齿向鼓型修形，压力角修形；齿向修形分为齿边修形，齿廓鼓型修形，螺旋角修形，扭曲修形。

图8 齿廓修形

图9 齿向修形

结合齿面载荷分布结果，齿轮边缘偏载较为严重，本案例中采用齿向鼓型修形（Crowning）以及螺旋角修形（HelixAngle）两种综合修形方式。

2 齿轮噪声优化

以转速6000rpm为例，当前齿轮啮合的半阶主谐次15阶、主谐次30阶以及2倍谐次60阶谐次振动加速度较大，取最大的30阶以及60阶两个主要谐次幅值为优化目标，通过优化齿廓鼓型修形以及螺旋角修形使其幅值最小。

图10 不同谐次振动加速度级

齿向鼓型修形以及螺旋角修形范围选择为0~12um,结合CAMEO DOE算法中的索伯序列法（Sobol-Designer）生成所需的40个case如图11所示，结合EXCITE PU对生成计算case进行相应的仿真计算。

结合动力学计算的结果，基于CAMEO内部智能优化算法，建立相应的优化模型，图12a为不同变参下分析结果的相关性图，从图中可知，随着齿向鼓型修形以及螺旋角修形变化，其响应值置信区间均较窄，说明优化模型预测的结果相对准确。结合图12b计算case对应30阶与60阶谐次下峰值与预测模型性关系，无论模型质量还有吻合度均达到Very Good的水平。

图11 DOE计算case

图12 模型相关性

图13 为30阶与60阶谐次幅值响应面结果，通过该图中可直观看出对于降低各自响应幅值变参最优的范围，对于30阶幅值而言，左图显示螺旋角修形量越小，鼓型修形量为8um左右对应响应值越小，而对于60阶而言，右图显示鼓型修形量越大，螺旋角修形越小响应幅值越小。

图13 优化响应面

在噪声优化过程中，不同优化目标可能存在一定Trade off 关系，从图14可知，各自优化对应最优点呈现此消彼长的趋势。为了综合考虑优化结果，选取30阶与60阶平方根值作为最终优化目标：

图14 Trade off关系图

结合响应面以及优化最优点，当鼓型修形量为11.742um、螺旋角修形为3.1478um时，平方根值为169.7db, 而当前30阶幅值为128.1db，60阶幅值为111.59db。

3 结果验证

基于优化结果，结合动力学模型，对优化结果进行响应的对比，图15为6000rpm转时域结果，优化后壳体振动加速度幅值明显降低。

图15 优化前后时域振动加速度对比

       通过对比不同转速下优化结果可知，基于该优化方案，在30阶谐次与60阶谐次在全转速范围内优化结果都有一定的降低。

图16 优化前后振动加速度级

       对比30阶与60阶谐次切片图，优化后振动加速度级均明显降低，且优化后振动加速度级未超出140db的限值要求。

图17 30阶与60阶不同转速下幅值优化前后对比

从图17可知，通过动力学计算优化后6000rpm时30阶与60阶谐次幅值分别为127.83db和111.19db。而结合CAMEO优化算法预测结果30阶幅值为128.1db，60阶幅值为111.59db，预测结果与计算结果仅仅相差0.4db左右，说明CAMEO优化算法精度完全可满足优化需求。

从三维振动速度云图来看，该电驱动动力总成局部区域振动速度级也明显减低。

图18 振动速度级云图

EXCITE Acoustic 作为一款专业的声场仿真软件，可对动力总成辐射噪声进行高效快速的计算。图19a为电驱动总成声场模型以及各麦克风位置。通过分析各麦克风声压级平均值可知，优化后总体声压级最大值降幅接近2.5db。

图19 Acoustic 声场分析模型及结果

总结

基于EXCITE软件平台，可构建完整详细的电驱动系统动力学模型，考虑不同因素对于系统NVH特性的影响，准确分析电驱动系统的振动与噪声。CAMEO作为一款高度自动化的优化和标定工具，通过其与EXCITE联合优化，可快速有效的对电驱动系统NVH特性进行相应的优化，大大减小用户在产品优化中的时间。

希望以上信息对广大有电驱动总成设计和分析需求的用户有所帮助，如有任何问题，也欢迎发送邮件至我们的技术支持邮箱Mechanical_support_china@avl.com进行咨询。

中国先进模拟技术事业部：向熔