電動(dòng)車高速減速器NVH優(yōu)化研究

邵鵬

摘 要：電動(dòng)汽車的高速減速器對于NVH性能提出了更高的挑戰(zhàn)。本文以某電動(dòng)汽車高速減速器NVH優(yōu)化為例，分析了齒輪嚙合偏載、齒輪結(jié)構(gòu)模態(tài)、MCU蓋板模態(tài)對高速齒輪NVH性能的影響，同時(shí)提出了優(yōu)化方案，最終經(jīng)過臺(tái)架及整車NVH驗(yàn)證，獲得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：高速減速器;NVH;齒輪傳動(dòng);模態(tài)分析

1 引言

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電機(jī)也朝著高效率高功率密度的方向不斷提升，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也在不斷加大。為了順應(yīng)電機(jī)的發(fā)展趨勢，與之匹配的減速器的輸入轉(zhuǎn)速也在不斷提高，最高輸入轉(zhuǎn)速需求已經(jīng)達(dá)到15000rpm～20000rpm，這對于高速齒輪傳動(dòng)的NVH提出了巨大的挑戰(zhàn)。本文主要分析研究某電動(dòng)汽車高速減速器NVH問題，并進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化驗(yàn)證。

2 問題分析

某電動(dòng)汽車使用的電驅(qū)總成的電機(jī)最高輸出功率為150kw，最大輸出扭矩310Nm，最高輸出轉(zhuǎn)速為16000rpm，整車行駛過程中反映在全油門加速過程中全轉(zhuǎn)速存在齒輪嘯叫，尤其在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為5500～7500rpm最明顯，不可接受。該電機(jī)匹配的是一款高轉(zhuǎn)速單檔減速器，采用的是兩級齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過聲學(xué)數(shù)據(jù)采集分析（如圖2），確定齒輪嘯叫的階次為21階，屬于減速器一級齒輪嚙合階次，能量最大的區(qū)域在減速器輸入軸5500～7500rpm，與整車反映的嘯叫問題完全一致，需進(jìn)行高速齒輪NVH優(yōu)化。

針對該NVH問題，從齒輪嚙合激勵(lì)和傳遞路徑兩個(gè)方面進(jìn)行排查分析。齒輪嚙合激勵(lì)方面，根據(jù)問題段的扭矩工況檢查齒輪的嚙合區(qū)是否合理，同時(shí)根據(jù)問題段的轉(zhuǎn)速工況檢查齒輪軸系的扭振模態(tài);傳遞路徑方面，根據(jù)問題轉(zhuǎn)速檢查聲輻射零件的模態(tài)。

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 齒輪嚙合優(yōu)化

根據(jù)該電機(jī)外特性曲線發(fā)現(xiàn)全油門工況的扭矩輸出總體較大，主要的問題轉(zhuǎn)速段所對應(yīng)的電機(jī)輸出扭矩為180～280Nm，分析認(rèn)為該扭矩段下齒輪嚙合存在接觸區(qū)偏載，傳遞誤差較大，影響了齒輪的嚙合平穩(wěn)性。針對該問題，對一級齒輪嚙合進(jìn)行CAE接觸分析及實(shí)際接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化齒輪修形。齒輪嚙合接觸區(qū)如圖3所示，修形優(yōu)化前齒輪的嚙合區(qū)存在偏載，修形優(yōu)化后齒輪的嚙合區(qū)居中無偏載。

根據(jù)新的修形方案進(jìn)行CAE仿真，得到修形優(yōu)化前后的傳遞誤差對比（如圖4），優(yōu)化后的齒輪傳遞誤差在180～280Nm區(qū)間相對于優(yōu)化前大大降低。

3.2 齒輪模態(tài)優(yōu)化

根據(jù)齒輪嘯叫頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，齒輪嚙合最大能量帶出現(xiàn)在輸入軸轉(zhuǎn)速5500～7500rpm之間，對應(yīng)的頻率帶為1925～2625Hz。經(jīng)過CAE仿真分析發(fā)現(xiàn)一級從動(dòng)齒輪在相應(yīng)頻率段存在輪輻擺動(dòng)模態(tài)（如圖5），對應(yīng)的頻率為2435Hz，這個(gè)擺動(dòng)模態(tài)會(huì)影響到中間軸系統(tǒng)的扭振剛度，導(dǎo)致齒輪嚙合在該頻率附近發(fā)生共振，軸承的徑向位移和振動(dòng)增大，最終導(dǎo)致噪音放大。針對輪輻擺動(dòng)模態(tài)問題，對齒輪輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使輪輻相對于齒輪嚙合齒寬更加對中，同時(shí)適當(dāng)增加齒輪輪輻厚度，提高輪輻擺動(dòng)模態(tài)。

通過對齒輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輪輻擺動(dòng)模態(tài)從2435Hz提高到2847Hz（如圖5），避開了問題頻率帶;軸承的徑向位移在1925～2625Hz頻率段內(nèi)大大降低（如圖6），優(yōu)化效果明顯。

3.3 其它聲輻射零件模態(tài)優(yōu)化

在優(yōu)化齒輪激勵(lì)的同時(shí)，針對電驅(qū)總成系統(tǒng)里振動(dòng)及聲輻射相關(guān)的傳遞路徑也進(jìn)行了仔細(xì)排查。結(jié)果表明減速器殼體的模態(tài)及軸承座剛度都符合設(shè)計(jì)要求，不會(huì)對齒輪振動(dòng)和嘯叫產(chǎn)生放大作用;但是電驅(qū)總成中的MCU控制蓋板結(jié)構(gòu)扁平且厚度太薄，整體模態(tài)偏低，會(huì)對噪音產(chǎn)生放大作用，需要進(jìn)行基礎(chǔ)模態(tài)增強(qiáng)優(yōu)化。針對該問題，在現(xiàn)有MCU蓋板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了表面的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，使蓋板基礎(chǔ)模態(tài)提升了50%（如圖7），大大降低了蓋板對聲音的放大作用。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合以上分析，將優(yōu)化后的樣件進(jìn)行裝機(jī)，并在半消聲試驗(yàn)臺(tái)架及整車上進(jìn)行NVH測試。其中，臺(tái)架NVH驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示，全轉(zhuǎn)速段分貝值都有降低，其中5500～7500rpm優(yōu)化效果最明顯;整車NVH驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示，全轉(zhuǎn)速段分貝值都有降低（整車隔音水平提高也有一定貢獻(xiàn)），其中5500～7500rpm優(yōu)化效果最明顯，與臺(tái)架結(jié)果完全一致。

5 結(jié)語

通過以上優(yōu)化及驗(yàn)證，高速減速器的NVH水平得到了大幅提高，獲得了整車用戶的認(rèn)可，同時(shí)也為國內(nèi)電動(dòng)汽車高速減速器NVH性能優(yōu)化積累了經(jīng)驗(yàn)。

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