张 南，许明华，段 磊，应红亮

(1.上海汽车电驱动有限公司，上海 201806；2.上海汽车电驱动工程技术研究中心，上海 201806)

0 引 言

现阶段，随着全球新能源汽车行业发展，电驱动总成系统呈现高度集成化的发展趋势，其以能量密度高、功率密度高等优势受到国内外整车厂的青睐[1]。整车在运行过程中不可避免产生振动，对于集成化的结构，振动能量在传递过程中存在被放大的情况，甚至会出现电子元器件振动损坏问题，从而影响到产品性能。许多学者、工程人员对电驱动总成系统的随机振动、疲劳等特性进行了研究[2-3]，其内容大多集中于结构的振动强度[4]、疲劳特性[5]分析，但对结构中不同部位的振动能量放大等级、能量传递机理探究较少。因此，有必要进行相关工作，获取结构不同位置处随机振动能量放大情况，深入探究电驱动总成系统的最高耐振等级。

本文以一款电机、控制器、减速器三合一集成的电驱动总成系统为研究对象，进行产品振动特性分析，以识别结构刚度薄弱点、获取关键部位的能量放大情况。首先，进行模态、随机振动仿真分析，快速获取结构固有振型、刚度薄弱点，分析结构能量放大机理，同时为后续实验布置传感器位置提供指导；然后，搭建总成结构振动台架，布置多个传感器，获取探测点的加速度均方根值；最后，比对仿真数据与实测值，修正仿真模型的阻尼参数，以确保仿真数据的有效性，为电驱动总成系统的开发提供技术支持。

1 电驱动总成系统

1.1 三合一总成结构

本文以一款电驱动总成系统为例，进行随机振动能量放大特性研究。如图1所示，该总成系统由减速器、控制器、电机三部分组成，减速器和电机结构分别提供两个固定点位置用于支撑控制器箱体。

图1 电驱动总成系统

1.2 约束形式及载荷工况

该总成结构通过减速器端和端盖端固定于乘用车悬置上。参考行业标准GB/T 28046—2011 《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第3部分:机械负荷》[6]，根据结构在整车中的安装位置，选取乘用车弹性体载荷谱，加速度均方根值为27.8 m/s2，每个方向的振动试验持续8 h。载荷谱如表1和图2所示。

表1 功率谱密度(PSD)与频率载荷谱

图2 PSD与频率曲线图

图2中，横纵坐标均是log坐标系显示形式。纵坐标为功率谱密度，反映随机振动过程在各频率成分上的统计特性。曲线所围面积即振动的总能量值。由于随机振动是一种非确定性振动，运用概率统计方法，通常选用加速度均方根值表示振动谱的总能量，用来评价振动等级情况。

1.3 随机振动特性分析

随机振动校核分析通常是给定结构一随机激励载荷谱，确认结构响应是否满足设计要求，其动力学方程[7]：

(1)

式中:M,C,K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵。从数学角度讲，该矩阵的解由齐次线性方程组的解及一个特解组成。从物理意义上解释，齐次线性方程组的解为结构的模态振型，随机振动的解由模态结果叠加计算得到。因此，随机振动响应与结构的刚度、阻尼密切关联。虽然载荷F(t)为随机载荷谱，其计算涉及概率论统计方法，但随机振动分析通常建立在模态分析的基础上。模态振型属于结构固有属性，其为结构系统的振动特性分析、结构动力特性的优化设计提供了重要依据。本文首先对总成系统进行模态仿真分析，快速获取固有频率和振型，用以深入了解产品的系统动力学特性，辅助分析随机振动能量放大机理。

2 仿真分析

有限元数值计算方法为结构分析提供了高效、直观的分析手段。本文首先借助仿真软件对总成结构进行模态分析，通过提取模态振型结果，识别结构刚度薄弱点，确定结构测点的布置位置；其次，进行随机振动仿真，获取测点加速度均方根的响应值，分析不同位置能量放大机理，为后续实验测试提供指导。

2.1 仿真模型介绍

如图3所示，通常对电驱动总成系统进行振动验证时，需要将总成结构及振动工装一起固定在测试台架上。由于所有结构不可能是无限刚度，所以振动激励在传递过程中必然存在放大情况。首先，定性分析振动载荷在整个总成系统中的能量传递路径。振动台作为激励源输入面，载荷首先传递到三个振动工装上。其次，再通过工装与总成的连接点，传递到总成系统上。最后，传递到减速器上的能量一部分通过固定支脚传递到控制器箱体上，一部分通过机壳传递到电机上；传递到电机上的能量一部分通过固定支脚传递到控制器箱体上，同时，与减速器间存在能量互传。

图3 仿真分析模型

为了简化仿真模型，控制器内PCB板等电子元器件，使用结构质量属性(质量和质心)代替真实结构；并按照传感器大小，在结构中切割出探测点的位置，以便仿真结果的后处理。此外，电机与控制器的连接螺栓采用实体建模形式。

2.2 仿真结果

2.2.1 模态振型结果

提取总成系统的前几阶模态振型，如图4所示。前两阶振型均表现为控制器箱盖、箱体与端盖固定位置处的摆动；第三阶表现为箱盖的振动；第八阶出现箱体底部电容固定处的振动。说明该总成系统中箱盖、端盖与控制器的固定支脚以及箱体某些部位刚度较弱。

图4 总成系统模态振型

由于结构低阶模态更容易被随机振动载荷激发出来，故依据模态结果，需要探测控制器支脚、箱盖处的振动反馈。另外，总成系统曾出现电容/模块等电子元器件损坏、接线盒盖辐射噪声等问题，因此在接线盒盖中心处、箱体底部电容/模块固定位置处布置测点；同时，为了探究减速器与机壳间能量互传情况，在机壳端面布置一测点。多个测点的具体位置及说明如图5及表2所示。

图5 传感器布局位置示意图

表2 传感器编号说明表

2.2.2 随机振动反馈结果

提取探测点处三个方向的随机振动反馈值，由于水平方向振动反馈能量较输入激励差别较小，此处不再描述，本文着重介绍放大倍率较大的垂直方向反馈值。垂直方向多个测点的仿真均方根值数据整理在图6中。

图6 垂直方向随机振动反馈仿真值

由图6可知，传递到振动工装(6，7，8号点)上的能量几乎无变化。除此之外，其他测点的振动反馈均有放大，最大的点位于箱盖(9号点)，其次是控制器支脚4号点。为分析这两点的能量放大机理，在软件中提取功率谱密度与频率关系曲线绘制图7，两条曲线均存在共振频率点处功率谱密度突然增大情况。由于曲线所围面积即为均方根值，故4号、9号点整个频率段的均方根值会变大。

图7 一点位置PSD与频率曲线图

因此，对总成结构进行随机振动分析前，首先要关注结构的模态振型，低阶模态出现较多的地方刚度较弱，存在振动能量放大情况。随机振动结果中提取功率谱密度与频率曲线，可以更加清晰地获取不同位置能量放大等级。

3 台架振动实验

将总成系统及振动工装通过螺栓固定在8 T振动台上，进行台架随机振动测试。首先，按照表2布置传感器，测试不同部位的实际振动反馈值。其次，对比仿真数据与实测值，修正仿真模型参数，确保仿真分析的有效性。

3.1 随机振动反馈监测

如图8所示，箭头表示振动台的振动方向。传感器粘贴位置按照图5及表2中的说明进行。准备台架测试时，需注意以下几点：1)将被测件固定在振动台上，确认螺栓的锁紧力矩；2)做好测点位置标记，依次粘贴传感器，确认传感器是否粘贴牢固、线束是否拧紧；3)打开测试软件，输入载荷频谱，设置控制/监测通道，以及控制策略。为保证实验数据的有效性，进行三次测试，查看数据的一致性。

图8 振动台架图片

采用单点控制策略，仅将振动台上的1号点作为振动控制输入点，对总成结构进行三个方向的振动反馈监测。实测表明，水平方向各点均方根值较输入载荷相差不大，不再描述，此处详细介绍垂直方向的振动反馈情况，列于图9中。

图9 垂直方向随机振动反馈实测值

图9表明，垂直方向振动时，各点均方根反馈值出现较大变化：振动工装反馈值与输入载荷一致；机壳配合面、箱体电容、模块固定处振动放大等级较小。箱盖上的9号点振动反馈最大，其次是控制器支脚的4号点。

3.2 仿真模型修正

仿真结果与实测值的对比数据如图10所示，借助实验数据，对仿真模型进行修正。原始仿真模型的结果与实测值整体趋势一致，均在9点能量放大最大，但仿真值较实测值偏大。依据式(1)，阻尼参数直接影响结构随机振动响应大小，因此通过对阻尼参数进行调整可以修正仿真模型。

图10 结构各点响应RMS实测值与仿真数据对比图

修正仿真参数后，各点响应均方根值与实测对比，数据吻合较好。因此，对于三合一总成系统随机振动特性分析，可使用修正后的仿真模型来模拟结构实际振动反馈，为前期产品开发提供技术支持。

4 结 语

本文对一款集减速器、电机、控制器三者为一体的电驱动总成系统进行随机振动特性研究。借助仿真分析、实验测试两种手段，识别了结构刚度薄弱点、获取了关键部位的均方根反馈值，分析了结构振动能量放大机理，修正了仿真模型阻尼参数，得出以下结论：

(1)通过对三合一总成系统进行仿真分析，模态振型反馈出结构刚度薄弱点，低阶模态出现较多的地方刚度较弱，存在振动能量放大情况，可为振动能量放大机理分析提供依据。

(2)随机振动仿真数据及实测结果均表明，垂直方向振动反馈最大，不同部位的放大等级不同。由于箱盖低阶模态振型较多，功率谱密度与频率的关系曲线中峰值较多，故能量放大最大。

(3)随机振动仿真分析可提取结构不同部位的均方根值，修正仿真模型参数后，其结果与实验数据吻合较好；该仿真方法快速、高效，对总成结构设计、耐振等级研究提供技术支持。