パワートレインNVHの基礎 － NVH解析のステップ・バイ・ステップガイド

本例で用いるモデルは、ギヤおよびシャフトの初期レイアウト設計から新規に構築されています。その後、ハウジング設計を実施し、剛性や特定の固有振動数を考慮した基本的なトポロジー最適化を行いました。さらに、一般的な開発プロセスに従い、NVHの発生源を低減するためにギヤのミクロジオメトリ最適化を実施しています。

次のステップでは、マルチボディダイナミクス解析を用いて、シャフトの動的挙動、固体伝搬音（構造伝播音）、および音の放射の観点から、どの運転条件がクリティカルとなるかを特定します。これらの条件が定義されることで、その後の最適化におけるターゲットが明確になります。

では、どのようにしてクリティカルな条件を特定し、理解するのでしょうか。その鍵となるのが原因特定（ルートコーズ）解析です。解析結果に基づき、放射音の低減を目的としてパワートレインハウジングの再設計・最適化を行います。さらに、新たな設計案については、マルチボディダイナミクス解析および音響解析によって再度検証することが可能です。

モデルが完成したら、潜在的なNVH問題を未然に検出するために、マルチボディダイナミクス解析ソフトウェアであるAVL EXCITE™ Mにモデルを移行し、ルートコーズ解析の4つのステップを実行します。
その重要なタスクの1つが、共振時における変形形状（モード形状）の評価です。共振同士の相互作用やモード形状の影響を正確に捉えるためには、時間領域での解析が不可欠です。EXCITE Mは時間領域解析を実行できるため、異なるモード形状間の相互作用を可視化することが可能です。
これは特に電動パワートレインにおいて重要です。電動化により対象となる周波数帯域が高周波側へ拡張するため、設計者はより複雑な振動・騒音現象に対応する必要があります。

ルートコーズ解析は、一連の問いに答えていくプロセスで構成されます。

まず最初に考えるべき問いは次のとおりです。
「どの回転速度が、ルートコーズ解析の対象となるクリティカルな条件か？」

目的は、ノイズピークの低減です。そのために運転時変形形状解析（ODS：Operational Deflection Shape）を実施します。図1の例では、本解析の対象となる2つの回転速度が示されています。図1に示すNVHシミュレーション結果からは、ハウジング振動とディファレンシャル（曲げモード）振動との相互影響が確認できます。さらに別のケースでは、シャフト系とねじり系の挙動が示されています。

次に、特定した回転速度に対して以下の問いに進みます。
「どの励振経路が共振を引き起こしているのか？」

この問いに答えるために、数値トランスファーパス解析（NTPA）を実施します。最初のステップで確認したように、振動には相互影響が存在します。これらの振動はハウジング表面へ伝達され、最終的に外部へ音として放射されます。ここでの目的は、どのベアリングを経由して励振がハウジングに伝達されているかを特定することです。
AVL EXCITE™ M の可視化結果（図2）では、本例においてベアリング4および6が最も強く振動をハウジングへ伝達していることが確認できます。

この解析は一見シンプルに見えますが、ベアリング数が多い複雑なシステムにおいては、極めて重要な意味を持ちます。

続いて、ルートコーズ解析の第3ステップです。
「共振周波数において、どの運転時固有モードが発生しているのか？」

ここでは、異なる運転条件下でのNVH特性を詳細に評価します。特定されたクリティカル周波数に対して、各構成要素の運動エネルギーを解析します。運動エネルギーの割合が低い場合は、複数の構成要素の固有モード間で強い結合が生じていることを示し、逆に割合が高い場合は、単一構成要素の非連成（独立した）固有モードであることを示します。

最後に、次の問いでルートコーズ解析を仕上げます。
「どのシステムモードが共振振動に最も寄与しているのか？」

この問いに答えることで、システム全体または個別構成要素におけるモード寄与率（モード寄与係数）を把握できます。このステップで重要なのは、問題となる周波数において各構成要素がどのように振る舞っているかを理解することです。特定の周波数および回転速度において、どのボディモードが支配的に振動へ寄与しているかを把握することで、振動低減に向けた構造改善の方向性が明確になります。
本例では、これらの解析結果をもとにハウジングの構造最適化が実施されています。

このように、システムの負荷状態および運転時の挙動を深く理解することで、次のステップである設計改善へと進むことが可能になります。

NVH解析の後に続く最適化プロセスでは、主に2つのアプローチから選択することができます。すなわち、モードの最大化（支配的なモードの制御）を図る方法、あるいは等価放射パワー（Equivalent Radiated Power）を最小化する方法です。いずれの場合も、クリティカルな運転条件における振動を低減する設計変更へとつなげることが目的となります。

本例では、最適化されたハウジングモデルを用いて、再度 AVL EXCITE™ M による解析を実施し、設計変更の効果を詳細に評価しました。その結果、ノイズピークが約5dB低減されることが確認されました。

Klarin B.、Resch T.、Grozdanovic I. および Pevec D.  "Root Cause Analysis and Structural Optimization of E-Drive" SAE Technical Paper 2020-01-1578, 2020: Root Cause Analysis and Structural Optimization of E-Drive Transmission