Analisi e simulazione acustica di un assale elettrico

In questo articolo si presenta una metodologia per l’analisi vibroacustica di una Electic Drive Unit (EDU). La trasmissione della EDU è stata progettata mediante lo strumento KISSsys. È stato valutato il comportamento di ingranaggi a elevato rapporto di condotta (HCR) rispetto a un profilo standard secondo ISO-53, tenendo come parametri di riferimento il picco-picco dell’errore di trasmissione (PPTE), le forze di ingranamento e i carichi agenti sui cuscinetti. Tali confronti hanno mostrato il miglioramento della performance NVH atteso da una dentatura HCR.

L’industria automobilistica sta sviluppando sistemi di motopropulsione elettrificati e nuove tecnologie per limitare il consumo di combustibili fossili, incrementare l’efficienza del sistema veicolo e ridurre le emissioni “tank-to-wheel” di diossido di carbonio (CO2) e altri inquinanti, al fine di soddisfare le normative vigenti.

Secondo i dati dell’Unione Europea (EU) [1], il trasporto è responsabile di circa il 20% di tutto il consumo di energia, e di circa il 25% del totale di emissioni di CO2, uno dei principali gas contribuenti all’effetto serra. Il Regolamento europeo 2019/631 ha stabilito nuove linee guida con lo scopo, per ogni costruttore, di ridurre le emissioni di CO2 della propria gamma di veicoli del 15% entro il 2025, per arrivare ad una riduzione del 37.5% entro il 2030.

Negli USA il trasporto è responsabile di circa il 28% del consumo totale di energia e di circa il 33% del totale di emissioni di CO2. La Environmental Protection Agency (EPA) e la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) hanno messo a punto un programma nazionale per il controllo delle emissioni di gas responsabili dell’ effetto serra (GHG) e una normativa sul consumo di combustibili per veicoli “light-duty”, nota con l’acronimo SAFE (Safer Affordable Fuel-Efficient Vehicles Rule for Model Years 2021-2026 Passenger Cars and Light Trucks) [1].

La normativa SAFE, se finalizzata, stabilirà nuove linee guida mirate alla riduzione dei consumi CAFE (Corporate Average Fuel Economy) e delle emissioni inquinanti, valide per i veicoli prodotti tra il 2021 e il 2026.

Ad oggi le architetture elettrificate disponibili sul mercato possono classificarsi in Hybrid Electric Vehicles (HEV), Plug-In Hybrid Electric Vehicles (PHEV), Battery Electric Vehicle (BEV, AEV) e Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV).

Un veicolo HEV è dotato di entrambi i sistemi di propulsione, termico ed elettrico: per ragioni di ingombri, il sistema elettrico è dotato di una batteria di ridotta capacità energetica. In genere, ma non sempre, entrambi i sistemi sono in grado di muovere il veicolo.

Un veicolo PHEV è in grado di sfruttare la connessione alla rete elettrica per ricaricare la batteria.

In un’architettura BEV l’energia elettrica viene accumulata in una batteria; su richiesta della macchina elettrica (tipicamente motori sincroni AC), la corrente dalla batteria attraversa un inverter per poi generare energia meccanica. Tale motore elettrico svolge in genere anche la funzione di generatore, per consentire il recupero dell’energia cinetica del veicolo in fase di frenata.

I veicoli FCEV sono caratterizzati da un sistema di propulsione elettrico, ma l’energia proviene da celle nelle quali l’idrogeno reagisce con l’ossigeno in una pila a combustibile.

Il passaggio da un veicolo convenzionale a uno azionato da EDU (Electric Drive Unit) porta a una riduzione del livello di emissione sonora sia esternamente che internamente all’abitacolo. Ciò è particolarmente evidente a velocità ridotte. Sebbene la potenza sonora radiata da un veicolo elettrico sia inferiore rispetto ad un veicolo convenzionale, il comportamento acustico (NVH) di tali veicoli è caratterizzato dalla presenza di “toni” distinguibili, provenienti dal motore elettrico, dai componenti della trasmissione e dall’inverter. Simulazioni del comportamento acustico di un’EDU sono dunque fondamentali in fase di progettazione, al fine di una corretta integrazione del componente nel sistema veicolo.

Sono due gli approcci per la definizione dei target acustici della trasmissione e del motore elettrico presentati in [2]: a livello di sistema, mediante la sintesi del livello di pressione sonora fino all’interno dell’abitacolo attraverso opportune funzioni di trasferimento, ed a livello di componente, il che consente di considerare in maniera più approfondita il contributo di ogni sottosistema.

Diversi aspetti del processo di sviluppo NVH di una EDU sono descritti in [3], nel quale vengono chiarite le aree di ottimizzazione del comportamento acustico, ossia la trasmissione, il motore elettrico e i dispositivi di elettronica di potenza. Nel seguito viene presentato lo stato dell’arte per tali aree.

Le basi teoriche sull’ottimizzazione acustica delle trasmissioni vengono descritte nei testi di Smith [4] e di Beranek [5]. Akerblom [6] ha condotto un’approfondita ricerca bibliografica sull’emissione sonora degli ingranaggi, in termini di forzanti, di modelli dinamici e di sistemi di misura delle vibrazioni. Esistono inoltre numerose analisi sul comportamento dinamico non lineare delle trasmissioni, condotti da istituti di ricerca quali il “Gear Lab” della Ohio State University [7], [8], [9], [10], il “Gear Research center” della Technical University of Munich [11] [12] [13] [14], e il “Laboratorio di Vibrazioni e Powertrain” dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia [15] [16] [17] [18].

La valutazione delle prestazioni NVH del motore elettrico e dell’elettronica di potenza è fondamentale per la progettazione della EDU: l’emissione sonora ad alta frequenza generata dalle forze elettromagnetiche della EM e dall’operazione dell’inverter è soggettivamente fastidiosa, dunque molti costruttori ed istituti di ricerca hanno analizzato il problema. I concetti fondamentali di ottimizzazione acustica del motore elettrico in fase di progettazione sono trattati in [19]. Kang ha analizzato l’emissione sonora dovuta alle forzanti elettromagnetiche in un veicolo elettrico [20].

In questo articolo viene presentata una metodologia per l’analisi vibroacustica di una EDU. Dopo aver tracciato sul diagramma di Campbell gli ordini meccanici ed elettrici, vengono calcolate le forme modali del sistema. In seguito, l’assale elettrico viene modellato come sistema multi-corpo flessibile e si studia la sua risposta forzata. Ogni corpo in questa fase è trattato secondo la tecnica di condensazione modale di Craig-Bampton.

Viene valutato il comportamento di ingranaggi ad elevato rapporto di condotta (HCR) rispetto ad un profilo standard secondo ISO-53. I parametri di riferimento per tale valutazione sono il picco-picco dell’errore di trasmissione (PPTE), le forze di ingranamento ed i carichi agenti sui cuscinetti. Viene infine investigato l’effetto della rigidezza della scatola.

Il confronto della potenza irradiata equivalente (Acoustic Equivalent Radiated Power) per le due dentature mostra la riduzione delle velocità normali sulla superficie della scatola per il profilo HCR, e le aree più critiche della scatola in termini di emissione acustica.

 

Bibliografia

1. Continental Automotive, «Worldwide Emission Standards and Related Regulations, Passenger Cars/Light and Medium Duty Vehicles,» May 2019.
2. T. Tousignant et al, «Target Development for Transmission and Electric Motor NVH,» SAE Technical Paper, n. 2019-01-1554, 2019.
3. T. Wellmann et al., «NVH Aspects of Electric Drive Unit Development and Vehicle Integration,» SAE Technical Paper, n. 2019-01-1454, 2019.
4. J. D. Smith, Gear Noise and Vibration, CRC Press, 2003.
5. L. L. Beranek e L. V. Istvan, Noise and vibration control engineering – Principles and applications, John Wiley & Sons, Inc., 1992
6. M. Åkerblom, «Gear noise and vibration: a literature survey,» 2001.
7. Kahraman e S. Rajendra, «Non-linear dynamics of a spur gear pair,» Journal of Sound and Vibration, vol. 142, n. 1, pp. 49-75, 1990.
8. M. Inalpolat e A. Kahraman, «A dynamic model to predict modulation sidebands of a planetary gear set having manufacturing errors,» Journal of Sound and Vibration, vol. 329, n. 4, pp. 371-393, 2010.
9. N. Özgüven e D. R. Houser, «Dynamic analysis of high speed gears by using loaded static transmission error,» Journal of sound and vibration, vol. 125, n. 1, pp. 71–83, 1988.
10. N. Özgüven e D. R. Houser, «Mathematical models used in gear dynamics – a review,» Journal of sound and vibration, vol. 121, n. 3, pp. 383-411, 1988.
11. M. Otto et al., «Low noise gear mesh design for e-mobility,» in 25th International Congress on Sound and Vibration, ICSV 2018, 2018.
12. T. Paucker, M. Otto e K. Stahl, «Noise optimization and canceling effects in planetary gear stages depending on topography,» in 25th International Congress on Sound and Vibration, ICSV 2018, 2018.
13. P. Gwinner, M. Otto e K. Stahl, «Vibration behaviour of high-speed gearings for electrically driven powertrains,» 2017.
14. Heider et al., «Vibration excitation of a planetary gear stage,» in International Conference on Gears, 2013.
15. Barbieri et al., «Dynamic modelling of gear pairs,» in 22nd International Congress on Sound and Vibration, ICSV 2015, 2015.
16. G. Bonori, M. Barbieri, G. Scagliarini e F. Pellicano, «Gear vibration reduction using genetic algorithms».
17. F. Pellicano et al., «Nonlinear Dynamics and Optimization of Spur Gears,» Nonlinear Science and Complexity, pp. 164-179, 2007.
18. D. Marano et al., «Modelling and simulation of rack-pinion steering systems with manufacturing errors for performance prediction,» International Journal of Vehicle Systems Modelling and Testing, vol. 13, n. 2, pp. 178-198, 2018.
19. J. F. Gieras, W. Chong and C. L. Joseph, Noise of polyphase electric motors, CRC Press, 2018.
20. K. Qiang et al., «Test and Analysis of Electromagnetic Noise of an Electric Motor in a Pure Electric Car,» SAE Technical Paper, n. 2019-01-1492, 2019.
21. 1940/1, « Mechanical Vibration-Balance Quality Requirements of Rigid Rotors.” Part I: Determination of Permissible Residual Unbalance,» 1998.
22. C. a. P. G. Scheffer, «Practical machinery vibration analysis and predictive maintenance.,» Elsevier, 2004.
23. J. Tuma, Vehicle gearbox noise and vibration: measurement, signal analysis, signal processing and noise reduction measures, John Wiley & Sons, 2014.
24. K. M Inalpolat, «A theoretical and experimental investigation of modulation sidebands of planetary gear sets.,» Journal of Sound and Vibration, p. 677–696, 2009.
25. ANSI/AGMA, « 6123-C16,» 2016.
26. SKF, «Bearing damage and failure analysis».
27. R. Jones, «A Guide to the Interpretation of Vibration Frequency and Time Spectrums,» SKF-SDG-DS01, 2011.
28. J. Mais, «Spectrum Analysis, The key features of analyzing spectra,» SKF USA Inc.
29. J. W. C. a. L. J. Gieras, Noise of Polyphase Electrical Motors, CRC Press, 2006.
30. M. Cavalli, G. Lavacchielli, R. Tonelli, G. Nicoletto e E. Riva, «Comparison of analytical and multibody dynamic approaches in the study of a V6 engine piston,» Journal of Multi-body Dynamics, 2017.
31. J. He e Z.-F. Fu, Modal Analysis, Butterworth Heinemann, 2001.
32. Y. Jin, J. Zhang e X. Guan, «Theoretical calculation and experimental analysis of the rigid body modes of powertrain mounting system,» in WSEAS Transactions On Applied And Theoretical Mechanics, 2013.
33. P. van der Valk, «Model Reduction & Interface Modeling in Dynamic Substructuring,» 2010.
34. R. Craig e M. Bampton, «Coupling of Substructures for Dynamic Analysis,» AIAA Journal, vol. 6, n. 7, p. 1313–1319, 1968.
35. U. Kissling, «Layout of the Gear Micro Geometry,» 2015.
36. Functionbay, Recurdyn V9R3 Manual, 2020.
37. Kahraman., «Load sharing characteristics of planetary transmissions,» Mechanism and Machine Theory,, pp. 1151-1165, 1994.
38. K. M Inalpolat, «A dynamic model to predict modulation sidebands of a planetary gear set having manufacturing errors,» Journal of Sound and Vibration, p. 371–393, 2010.

L’articolo Analisi e simulazione acustica di un assale elettrico sembra essere il primo su Meccanica News.


Source: Stampi
Analisi e simulazione acustica di un assale elettrico

Condividi: