NVHの根本原因の分析：ステップバイステップガイド
例示しているモデルは、ギアとシャフトの初期レイアウトからゼロから設計されました。その後、剛性と特定の固有周波数のための基本的なトポロジー最適化を含むハウジング設計が行われました。通常の手順に従い、NVHの原因を減らすためにギアの微細形状を最適化しました。
次のステップは、多体動力学シミュレーションを実施し、シャフトの動力学、構造伝搬音、および騒音放射に関する重要な運転条件を特定することです。これらの条件が定義されると、それらが後続の最適化のターゲットとなります。
重要な条件を特定し、理解するために、根本原因の分析が役立ちます。結果に基づいて、パワートレインハウジングの新しい最適化を実行し、放射される騒音を減らすことを試みます。新しい設計は、多体動力学シミュレーションと音響分析で再度検証することができます。
モデルが完成したら、AVL EXCITE™ Mなどの多体動力学プログラムに転送し、根本原因分析の4つのステップを実行して、潜在的なNVH問題を事前に検出する必要があります。タスクの1つは、共振の変形形状を分析することです。共振とモード形状の相互影響は、時間領域のソリューションでのみ適切に行うことができます。EXCITE Mはこの分析を時間領域で実行し、エンジニアが異なるモード形状の相互作用を見ることができるようにします。これは、設計者が高周波数に対処しなければならない電動パワートレインにとって特に重要です。
根本原因を分析するプロセスは、一連の質問をすることから成り立っています。
まず、根本原因を分析するスピードについて問いかける必要があります：
目標はノイズスパイクを減らすことです。そのためには、運転変形形状分析（ODS）を実行する必要があります。図1では、この分析の対象となる2つの速度が示されています。図1のシミュレーションは、ハウジングの振動とデファレンシャル（曲げモード）の振動の相互影響を示しています。2つ目のケースでは、シャフトシステムとねじりシステムが示されています。
速度が特定されたら、次に共振を引き起こす励起経路について問いかけましょう：
これには数値伝達経路解析（NTPA）が必要です。最初のステップでは、相互影響があることがわかりました。この振動はハウジングの表面に伝達され、外部に騒音を放射します。目標は、励起がどのベアリングを通過してハウジングに到達するかを見つけることです。図2を見て、この分析のためにEXCITE Mが提供する視覚的な出力を確認してください。私たちの例では、ベアリング4と6がハウジングに最も強い振動を伝達しています。
この分析は些細に見えるかもしれませんが、より多くのベアリングを持つ複雑なシステムでは非常に重要になります。
根本原因分析の第3ステップは、共振周波数でどの運転固有モードが発生するかについて問いかけてみましょう。
次に、異なる運転モードでのNVH性能を詳しく見ていきます。特定した重要な周波数について、物体の運動エネルギーを分析する必要があります。運動エネルギーの割合が低いほど、単一の物体の固有モード間の結合が強いことを示します。割合が高い場合、それは単一の物体の独立した固有モードの特徴です。
根本原因の分析で最後に質問することは、どのシステムモードが共振振動に最も寄与しているか、です。
この質問に答えることで、組み立てられたシステムまたは単一の物体のシステムモード寄与係数が得られます。このステップの重要な部分は、問題の周波数で物体がどのように振る舞うかを分析することです。与えられた周波数と速度でどの物体モードが重要な振動に寄与しているかを確認する必要があります。この情報は、振動を減少させるために物体をどのように変更するかを理解するのに役立ちます。事例では結果がハウジングの構造の最適化に使用されました。
システムが負荷を受けて動作しているときに何が起こっているかについての洞察を得たので、次のステップ、設計を改善することに進みます。
その後の最適化プロセスでは、モードを最大化するか、等価放射電力を最小化するかの2つから選択できます。重要な運転条件での振動を減少させる設計変更が行われるべきです。
この例の最適化されたハウジングを使用して、EXCITE Mに戻り、これらの変更の効果を綿密に監視しました。この場合の結果は、ピークが約5dB減少することです。
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
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The fourth part of this online event series focuses on AVL's simulation solution for electric drive development. Learn about the opportunities that virtualizing can provide. Especially when it comes to using a consistent set of simulation tools for a streamlined workflow.
Through the highest fidelity simulation approach our solution enables the accurate prediction of e-drive NVH. It covers the complete workflow from design to acoustics. The simulation runs in time domain which enables the consideration of physical behavior like it is in reality, without the need to simplify (linearize).
Properly considering the excitation of the e-motor is essential when analyzing the NVH of e-drives. Typically, electromagnetic forces on the stator and torque on the rotor are precalculated using electromagnetic tools.
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