电动车 -齿轮传动系统中rattle和clunk噪音的分析和优化

rattle和clunkSMTSMTRattle与Clunk发生机理与常用解决方案Rattle齿轮敲击噪音瀑布图Rattle齿轮敲击是变速器中常见的一种噪音，在瀑布图上表现为宽频带的噪音，如下图所示Rattle齿轮敲击原理：对于变速箱工作档位齿轮副，由于承受较大负载，主动齿和被动齿不会发生分离，不会发生敲击；而其它不承载齿轮副，当输入轴由于扭矩波动导致转速存在波动时，不承载主动齿轮的转速随之波动；而不承载的被动齿轮存在惯性，其转速并没有同时变化，因此产生了转速差。而齿轮副之间存在侧隙，转速差导致两齿轮在侧隙间来回晃动敲击，并传递到壳体上，产生噪音。由上可知齿轮敲击的根源是扭矩波动，惯性和侧隙，相应的通过减小扭矩波动，增大惯量/拖曳阻力，减小侧隙可齿轮Clunk噪音及原理不管是传统车辆还是新能源电动车，在Tipin/out工况和过台阶/沟坎时以及新能源车紧急制动高能量回收时，都可能产生齿轮的Clunk噪音，其表现和Rattle一样都是宽频噪音。Clunk原理和Rattle类似。车辆上述工况都会导致传动系统扭矩产生瞬态变化/反转，而齿轮副之间存在侧隙，扭矩的瞬态变化/反转，导致两齿轮在侧隙间产生敲击，并传递到壳体上，产生噪音。针对Clunk噪音，同样通过减小扭矩波动/反转，增大惯量/拖曳阻力，减小侧隙可以减轻或消除Clunk噪音。Rattle与Clunk的异同产生噪声的机理为相同的两个条件：①传递扭矩的反转过系统快速设计和建模界面友好，操作简单，使用方便，可对齿轮传系统变形分析/高级系统变形分析系统变形分析l考虑系统中各零件之间的相互影响和作用，计算耦合系统刚度，计算系统变形高级系统变形分析l计算耦合系统刚度耦合系统变形和LTCA计算，考虑非线性齿轮啮合刚度，可考虑齿轮制造误差l精确计算随时间变化的系统变形和齿轮错位及齿轮接触l精确计算系统TE和齿轮啮合TE零件强度校核圆柱齿轮/行星轮：基于ISO,AGMA,DIN&VDI等标准校核接触、弯曲、胶合和微点蚀强度锥齿轮/准双曲面齿轮：基于ISO、Gleason,AGMA，KN等标准校核接触、弯曲、胶合强度轴承:基于ISO校核静强度和疲劳寿命；基于DIN732进行发热极限转速校核；获取并显示SKF计算结果轴：应力和疲劳强度校核应用DIN、AGMA标准和SMT方法连接件，包括花键、过盈配合和螺栓的校核应用ISO、SAE、DIN等多项国际标准零件高级分析对称齿轮和非对称圆柱齿轮/行星轮高级LTCA•基于三维有限元齿轮模型的加载接触分析，精确计算齿轮刚度，计算齿轮传递误差和齿根应力，并进行准确修形优化•可以和刀具模拟优化功能关联，可针对实际加工齿轮齿根应力精确计算零件高级分析轴承•轴承使用考虑边缘应力集中的六自由度非线性刚度精确模型，考虑公差配合和热膨胀对轴承间隙的影响，精确计算轴承刚度及受力位移•考虑柔性轴承滚圈对载荷分布和应力的影响•可精确计算轴承内部滚子滚道接触情况，包括接触应力云图、各滚子歪斜和油膜厚度等基于动力学模型，考虑系统内各零件和系统的动态特性，进行耦合模态分析和齿轮啸叫分析，分析特定工况下系统针对激励的动态响应对电机齿轮箱耦合系统进行设计和分析，考虑不平衡磁拉力，对电机激励的系统动态响应进行分析基于壳体表面法向速度，计算空气传播的声功率；计算不同测量半径上的声压和声强NVH高级时间步长调制分析传统的NVH分析有一些基本的假设，其分析模型是频域的模态模型，然而该模型无法完整的捕捉行星架和带孔轮辐通过的动态特性MASTA采用高级时间步长方法考虑调制的影响，该动力学解决方案利用了线性模态模型的速度和定制的时间步长方法来得到时域响应及与其相对应的频谱阶次内容，可以捕捉此类系统的频率响应中出现的边频特征系统优化零件优化对各零件进行优化，保证各零件之间寿命平衡圆柱齿轮宏观参数优化和空间研究•提高齿轮强度，优化重合度，降低TE齿轮微观修形优化和空间研究•齿向、齿形和对角修形•优化接触斑点，提高齿轮强度，降低TE锥齿轮/准双曲面齿轮宏观参数优化•提高齿轮强度锥齿轮/准双曲面齿轮齿面优化/机床调整参数优化•通过齿面修形优化，提高锥齿轮强度，降低TE•通过和CAE，GEMS和KIMOS接口实现齿面优化齿轮可制造性分析和制造模拟提供了一整套完整精确的适合于圆柱齿轮滚/插/剃/磨工艺的齿轮、刀具和工艺模拟优化手段可在设计阶段对圆柱齿轮的粗精加工刀具进行模拟，保证设计齿轮的可制造性，降低制造成本，通过优化刀具，提高齿轮强度工艺模拟功能，可以模拟加工中的各种误差对齿轮加工精确的影响，降低制造成本DRIVA是SMT开发的基于多体动力学的齿轮传动专用的、基于时域多体动力学的商业化软件。能够方便、快速、精确仿真各种齿轮传动链的动态特性，包括内外原因导致的齿轮Rattle与•动态载荷分析和校核•动力换挡变速器换挡性能分析•Rattle齿轮敲击和Clunk噪音分析•风机传动链分析•发动机动力学工具：DRIVA模拟、优化齿轮敲击按时间步分析和完全非线性齿轮啮合模型进行齿轮脱离接触和敲击分析测试：冲击载荷，Rattle/Clunk相关振动与噪音测试：冲击载荷，Rattle/Clunk相关振动与噪音实时采集扭矩数据，可在多位置布点，如变速器输入轴，传动采集数据直接用于问题诊断，同时可用作多体动力学分析的输测试和分析的关联，深入理解问题的根源，提出最佳方案；NVH和TE数据测量和分析解决方案l开放硬件接口l多通道数据采集l可与分析软件集成，快速处理数据l简单易用，便于携带案例1：PTO齿轮敲击模拟仿真（DRIVA）与优化本项目中，SMT负责CAE模拟仿真、建议设计修改方案，客户负责设计与样件修改以及测试由于转速波动导致的PTO齿轮随时间变化的接触状态，即齿轮敲击AddATorsionalDamperl一般存在较大负载时，齿轮不易发生敲击现象。因此，可以在输出轴或者惰轮轴处添加一些负载，减轻或者消除齿轮敲击现象Load添加与转速成正比的阻力系数，如下图（图中此值仅用案例1：PTO齿轮敲击模拟仿真（DRIVA）与优化AddATorsionalDamperl重新运行分析，在模型树中选择输入轴齿轮，可看到齿轮始终在一个齿面接触，消除了敲击现象案例1：PTO齿轮敲击模拟仿真（DRIVA）与优化ScissorGearWith5mRadPrel另一种方式是通过改变原有结构实现消除齿轮敲击问题l将原来结构中的惰轮结构，改为两个有扭转刚度连接关系的剪刀齿结构案例1：PTO齿轮敲击模拟仿真（DRIVA）与优化ScissorGearWith5mRadPrel在DRIVA分析模式下，设置两个剪刀齿之间扭转方向5mRad案例1：PTO齿轮敲击模拟仿真（DRIVA）与优化ScissorGearWith5mRadPrel以输入轴齿轮和中间惰轮啮合关系为例（齿轮3为InputGear，l由于齿轮1和齿轮2之间在施加5mRad的预紧后，在圆周方向被压紧，剪刀角度减小，因此齿轮1和齿轮2之间存在反方向互斥的扭矩，使得齿轮1与齿轮3左齿面接触压紧的同时，齿轮2会与齿轮3的右齿面接触压紧l当齿轮1和齿轮3左齿面有脱离的趋势时，齿轮1和2之间的互斥扭矩，使得齿轮2跟随齿轮3运动，始终保持接触状态，从而消除了齿轮敲击现象案例1：PTO齿轮敲击模拟仿真（DRIVA）与优化ScissorGearWith5mRadPrel重新运行分析，在模型树中选择InputGear，可看到输入轴齿轮的两个齿面始终分别与剪刀齿两个齿接触，消除了敲击现象诊断齿轮Rattle与Clunck根源并解决问题的流程解决驱动桥Clunk噪音流程图传统车桥与电驱桥齿轮Clunk在DRIVA中的仿真与优化传统桥齿轮Clunk：在DRIVA中建模系统模型在DRIVA中建立驱动桥总成，以便模拟驱动桥在冲击载荷作用下如何发生齿轮Clunk传统桥齿轮Clunk：在DRIVA中输入冲击载荷冲击载荷l冲击载荷在0.3s内达到2倍的输出最大扭矩3000Nm，施加到2根半轴两端传统桥齿轮Clunk：DRIVA的时域动态分析结果在冲击载荷作用下主减齿轮发生Clunkl主减齿轮发生Clunk，齿轮在左右齿面之间不断接触和脱离，对应主动轮啮合扭矩波动和齿轮撞击能量如下齿轮啮合扭矩传统桥齿轮Clunk：Clunk优化Clunk优化措施•通过调整减振装置，减小冲击载荷•增加半轴柔性原半轴电驱桥Clunk：在DRIVA中建模模型：模拟一个电驱桥总成在以200Nm扭矩持续输出2s后，紧急制动，导致扭矩产生瞬态反转，发生齿轮Clunk电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟动态响应l运行完之后，在时域响应选项卡中，DRIVA会以图表形式展示响应结果l右图展示了输入轴齿轮的ContactStatus接触状态l由于本示例在DRIVA设置中阻尼系数采用默认值，所以此响应结果仅作为展示右图展示了输入轴齿轮InputGear，在0s-10s时间内由于Clunk导致左齿面法向作用力的变化，由于本示例在DRIVA设置中阻尼系数采用默认值，所以此响应结果仅作为展示电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟与优化通过控制扭矩变化斜率改善齿轮Clunk•通过电控系统，将原来0.14s内变化的扭矩放缓为0.7s电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟与优化通过控制扭矩变化斜率改善齿轮Clunk•对比可看到优化后齿轮Clunk有所改善电驱桥Clunk：在DRIVA中模拟与优化：通过控制扭矩