金長(zhǎng)明

（合肥安迅精密技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為我國(guó)未來(lái)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(duì)其關(guān)注度不斷提高。對(duì)其發(fā)展進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題成了限制其發(fā)展的主要原因，實(shí)際優(yōu)化中，可以嘗試以電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型為切入點(diǎn)，針對(duì)振動(dòng)噪聲展開(kāi)分析，明確最終優(yōu)化。

1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及振動(dòng)噪聲研究現(xiàn)狀

1.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行收集整理可知，現(xiàn)階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器的一體化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為劣勢(shì)內(nèi)容，研究人員對(duì)其關(guān)注度較低，在所構(gòu)建的耦合電磁激勵(lì)與齒輪傳遞誤差激勵(lì)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(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)建模與一體化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行了闡述：

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)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(jì)算方法、解析計(jì)算方法、半解析計(jì)算方法等。從本質(zhì)上進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲計(jì)算具有復(fù)雜性特點(diǎn)，包括眾多類型問(wèn)題，比如電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)模態(tài)、振動(dòng)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(jì)算，模擬出其在自然狀態(tài)下的振動(dòng)噪聲情況[1]。

2.一體化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法：現(xiàn)階段與此方面有關(guān)的研究?jī)?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(dòng)系統(tǒng)噪聲與驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲。結(jié)合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH 特性研究成果可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲來(lái)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(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模分析NVH 特性展開(kāi)研究時(shí)，研究人員需提高對(duì)電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)化

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

1.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲優(yōu)化方法：現(xiàn)階段導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器或變速器產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲問(wèn)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(diǎn)展開(kāi)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(lì)源、優(yōu)化傳遞路徑以及優(yōu)化殼體響應(yīng)。

2.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲優(yōu)化方法：現(xiàn)階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲主要包括三類，分別是電磁噪聲、機(jī)械噪聲以及空氣動(dòng)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(shí)際工作中，技術(shù)人員需結(jié)合實(shí)際情況制定具體優(yōu)化方案。

2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模

2.1 電機(jī)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(jì)算振動(dòng)噪聲計(jì)算速度與計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。通常情況下，在針對(duì)此部分內(nèi)容進(jìn)行建模時(shí)，需要將其劃分為電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)箱體與電機(jī)定子為研究對(duì)象，闡述有限元建模方式[2]。

所使用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)箱體為“三合一”類型，包括減速器殼體、電機(jī)以及控制器殼體三部分，其中電機(jī)定子與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)箱體二者存在連接關(guān)系。在其運(yùn)行過(guò)程中，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)箱體需要承擔(dān)系統(tǒng)整體耦合變形、嚙合錯(cuò)位以及系統(tǒng)動(dòng)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(jī)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(dòng)力學(xué)方程之中[3]。

需要注意的是，在建設(shè)有限元模型時(shí)，技術(shù)人員需要掌握電機(jī)定子與電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)材料屬性定義

2.2 彈性軸段單元?jiǎng)恿W(xué)建模

技術(shù)人員在面對(duì)減速器傳動(dòng)軸、簡(jiǎn)化型電機(jī)轉(zhuǎn)子、規(guī)則化齒輪輪輻等類型部件時(shí)，可使用鐵木辛柯梁?jiǎn)卧瓿蓜?dòng)力學(xué)建模。之所以選擇該建模方式，主要是因?yàn)榻柚祟愋湍Ｐ涂梢詭椭夹g(shù)人員實(shí)時(shí)掌控構(gòu)件情況，了解其運(yùn)行狀態(tài)，提高減速器運(yùn)行穩(wěn)定性。需要注意的是，在模型構(gòu)建過(guò)程中，技術(shù)人員需要使用有限元法，也就是說(shuō)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(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲及優(yōu)化

3.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)方案

為明確電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲出現(xiàn)原因及所造成的危害，在實(shí)際工作中，以借助假設(shè)T 型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是，在架設(shè)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求選擇測(cè)試設(shè)備，明確設(shè)備安裝位置[4]。測(cè)試條件與試驗(yàn)工況如下：

1.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲測(cè)試設(shè)備：在試驗(yàn)過(guò)程中，技術(shù)人員需要使用比利時(shí)LMS SCADAS Mobile 便攜式移動(dòng)數(shù)采系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有4～40 個(gè)通道，且每個(gè)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(diǎn)/秒。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，技術(shù)人員還需要使用測(cè)試軟件完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄分析。

2.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器測(cè)試條件及工況：具體情況如表2、表3 所示。

表2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲測(cè)試條件

表3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲測(cè)試工況

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器噪聲信號(hào)分析

結(jié)合上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知，電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)1 級(jí)減速器齒輪副的1 倍與2 倍，即在優(yōu)化過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器1 級(jí)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(dòng)系統(tǒng)箱體振動(dòng)信號(hào)分析

在該次實(shí)驗(yàn)中，電驅(qū)動(dòng)箱各處振動(dòng)變化趨勢(shì)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(cè)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(cè)試結(jié)果與階次跟蹤定理可知，為降低階次噪聲對(duì)減速器運(yùn)行的影響程度，在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器運(yùn)行期間，技術(shù)人員可以通過(guò)優(yōu)化第二季減速器齒輪來(lái)提高傳遞準(zhǔn)確率，以此來(lái)降低誤差。

3.2.4 -20Nm 滑行工況測(cè)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(duì)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(diǎn)變?yōu)榱怂膫€(gè)，分別是9.95 階、23 階、46 階以及69 階，同時(shí)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(dòng)噪聲情況有所緩解[6]。

3.2.5 空載滑行工況測(cè)試結(jié)果

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

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究可知，導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器發(fā)生振動(dòng)噪聲的原因有很多，比如載荷/扭矩工況、嚙合錯(cuò)位量、加工制造誤差、輕量化輪體結(jié)構(gòu)等，因此在實(shí)際工作中，技術(shù)人員可以通過(guò)對(duì)上述情況進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲。目前，擴(kuò)大電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)覆蓋范圍屬于我國(guó)熱門(mén)研究?jī)?nèi)容，因此在控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器振動(dòng)噪聲時(shí)，還需要保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器性能不會(huì)受到影響，以確保其發(fā)展不受影響，幫助我國(guó)早日完成可持續(xù)發(fā)展建設(shè)。