某乘用车电驱动总成NVH问题仿真分析及优化.pdf
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1、2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.,2023Vol.19,No.4某乘用车电驱动总成NVH问题仿真分析及优化黄河清*,黄凤琴,李相旺,李欣,刘安旗(东风汽车公司技术中心,湖北 武汉 430058)摘要:某纯电动乘用车电驱动总成将电机控制器(MCU)与直流高压转低压变换器(DC/DC)进行集成,但布置空间的限制导致可靠性及NVH(噪声、振动与声振粗糙度/Noise、Vibration、Harshness)目标难以达成。台架试验过程中发现3 200 r/min以下NVH表现较差且MCU及DC/DC盖板存在共振现
2、象。本研究对台架试验中的可靠性及NVH风险通过仿真手段进行全面解析,并对仿真分析出现的问题逐一优化解决。经过仿真-设计优化后,3 200 r/min转速范围内电驱动总成MCU及DC/DC壳体NVH表现较差的问题得到有效解决,且MCU及DC/DC新设计方案各项NVH与可靠性评价指标均满足设计要求,顺利通过电驱动总成NVH及可靠耐久台架试验。关键词:电机控制器;直流高压转低压变换器;NVH;频响分析;结构优化设计Simulation Analysis and Optimization of NVH Problem of Electric Drive Assembly of a Passenger
3、CarHUANG Heqing*,HUANG Fengqin,LI Xiangwang,LI Xin,LIU Anqi(Technical Center,Dong Feng Motor Co.,Wuhan 430058,China)Abstract:The electric drive assembly of a pure electric passenger car integrates the Motor Control Unit(MCU)with the DC high voltage to low voltage converter(DC/DC).The limitation of l
4、ayout space makes it difficult to achieve the reliability and NVH objectives.During the NVH bench test,it is found that the NVH performance below 3 200 r/min is poor and the MCU-DC/DC cover plate has resonance.In this paper,the reliability and NVH risk in bench test are comprehensively analyzed by s
5、imulation,and the problems are optimized and solved one by one according to the simulation analysis results.After simulation design optimization,the problem of poor NVH performance of electric drive assembly controller and DC/DC housing within 3 200 r/min speed range has been effectively solved,and
6、all NVH and reliability evaluation indexes of MCU-DC/DC new design scheme meet the design requirements,and successfully pass the NVH and durability bench test of electric drive assembly.Key words:MCU;DC/DC;NVH;frequency response analysis;structure optimization design电机控制器(Motor control unit,MCU)和直流高
7、压转低压变换器(DC/DC)等都属于新能源汽车的核心电子元件,直接控制驱动电机、发电机的工作及车内电子设备的正常运行,是保证车辆正常驾驶的关键1。由于目前对汽车舱内空间的利用率要求越来越高,各电子元件的集成度也越来越高。新能源汽车电驱动系统高集成度的多合一架构已经成为行业的趋势,但高集成度对于各电子元件的可靠性及NVH(噪声、振动与声振粗糙度/Noise、Vibration、Harshness)指标的达成带来极大的挑战2。汽车NVH特性的研究通常以整车作为研究对象,但由于汽车系统极为复杂,因此经常将其分解成多个子系统进行研究,MCU 及DC/DC作为电驱动动力总成子系统中的重要组成部分,其振动
8、特性直接影响到整车的NVH表现3。通信作者:黄河清,E-mail:中图分类号:TP29 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.04.011黄河清,等:某乘用车电驱动总成NVH问题仿真分析及优化某纯电动乘用车电驱动总成将MCU与DC/DC进行集成,但布置空间的限制导致可靠性及NVH目标难以达成。台架试验过程中发现3 200 r/min以下NVH表现较差且驱动MCU盖板存在共振现象。本研究针对台架试验中出现的可靠性及NVH风险通过仿真手段进行全面解析,采用扫频及频响仿真分析确定MCU及DC/DC局部振动较大位置后,通过优化盖板结构及支架来降低局部振动加速度,进而改善辐
9、射噪声等NVH表现问题,并根据仿真分析结果将出现的问题逐一优化解决。1 NVH问题描述与原因排查 某电动乘用车MCU及DC/DC集成组件为了改进电驱动总成布置空间进行设计变更,新方案为了避免零部件相互干涉虽布置紧凑但在台架试验过程中遇到MCU 及 DC/DC 盖板共振及 3 200 r/min 转速范围内NVH表现较差等问题。如图1试验数据所示,电驱动总成的可靠性及NVH目标达成困难,因此需要通过有限元仿真方法来进一步排查问题源头并提出优化改进建议。2 有限元模型建立及边界条件 所有部件划分为二阶四面体网格(Abaqus 软件C3D10M单元),网格尺寸为1mm,接触面之间尽量保持节点对应,模
10、型包括上壳体、中冷板、PCB板、逆变砖、下壳体、DC/DC壳体、滤波盒、固定支架、螺栓和焊缝等,如图2所示。边界条件的施加与实际电驱动总成工况是否吻合,直接影响到分析结果的正确性、合理性及准确性。针对试验中所出现的NVH问题,本研究先通过计算得到温度场作为热机状态下电驱动总成模态仿真计算的边界条件,随后将控制器与减速箱/电机壳体固定螺栓孔处设定为全约束,作为扫频/面刚度/随机振动等仿真分析的边界条件。3 温度场及模态仿真分析 由于辐射噪声的产生与电驱动总成中的零件振动幅度有直接的联系,仿真分析排查问题时需要先计算出试验工况下电驱动总成的温度场4。在温度场分析时,热边界条件的准确性是关键。热边界
11、条件包括内部空气和壳体内表面间的强迫对流换热、空气和壳体外表面间的自由对流换热、水冷板与冷却液间的热传导、固定螺栓与电机/减速箱等相邻部件间的热传导等。首先,使用XFlow计算出中冷板的稳态内流场,得到中冷板内部气体温度和对流换热系数。然后,将其映射到控制器及DC/DC壳体表面有限元网格上,其中壳体外壁面环境温度和对流换热系数由实测结果和经验值确定。在确定相关热边界条件后,即可通过Abaqus/Standard算出控制器、DC/DC壳体及中冷板温度场,仿真结果如图3所示。图1电驱动总成NVH台架试验数据Fig.1 NVH bench test data for electric dirve a
12、ssembly图2MCU及DC/DC有限元仿真建模示意图Fig.2 Diagram of FEM modeling for MCU and DC/DC343系统仿真技术第 19 卷 第 4 期进行模态分析时,因为电驱动总成整体温度升高,金属材料在高温时其物理力学性能会发生很大变化,支架及各壳体随着温度升高其材料弹性模量、导热系数、比热容和热膨胀系数等物性参数都会发生明显变化,而这些参数都会对模态分析结果有影响。如弹性模量降低时,模态会降低。模态分析时,控制器与减速箱/电机壳体固定螺栓孔处设定为全约束。台架扫频振动的频率范围内控制器及DC/DC壳体模态如图4所示。4 扫频及频响振动仿真分析 为了
13、更好地评估3 200 r/min转速范围内试验中出现的 NVH问题,本研究通过计算找出热机状态下MCU 及 DC/DC 各阶对应模态及振型后采用频响振动分析来排查,在各个需关注的零件上布点,分析对应频率相应的振动程度。扫频振动仿真分析在控制器壳体约束处分别根据 GBT 18488.1-2015 标准在25500 Hz范围内施加x、y、z 3个方向的30 m/s2加速度作为激励源5,随后在电机控制器及 DC/DC 外壳体不同位置选取测试点,加载垂直于壳体表面的单位力,读取010 000 Hz频率范围内扫频振动的位移幅值,进而来判断面刚度不足造成 NVH问题的具体位置。同时将未发现 3 200 r
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