CN109827769A - 新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，包括以下步骤：S1、基于多体动力学方法建立齿轮具有故障、缺陷以及安装误差等非正常工作状态的电驱动桥多体动力学计算模型，计算出在齿轮具有如上非正常状态情况下各轴承外圈所受的激励力；S2、基于有限元动力学方法建立电驱动桥的动力学有限元模型，计算出驱动桥在S1计算所得激励力作用下的频率响应；S3、基于边界元理论建立电驱动桥噪声辐射的边界元模型，基于步骤S2所得数据对电驱动桥的噪声辐射进行数值计算,由噪声计算结果与理论计算进行匹配以确定损坏。本发明无需实物便能准确计算出驱动桥在不同的齿轮故障形式下振动噪声，能够准确预测诊断新能源汽车电驱动桥噪声峰值频率和主要故障零件及故障类型。

Description

新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法

技术领域

本发明涉及汽车故障预测诊断领域，更具体地说，涉及一种新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法。

背景技术

当前电动汽车的驱动形式主要可分为桥式电机驱动和轮边电机驱动两种，在桥式电机驱动的电动汽车中，驱动力的传递路径是：电动机→减速器→差速器→半轴→车轮。齿轮作为驱动桥最主要的部件其工作状态正常与否将产生截然不同的振动和噪声。由于没有了内燃机噪声干扰和覆盖，驱动桥的振动噪声便凸显出来。因而通过振动噪声对驱动桥齿轮的工作状态进行诊断评估具有可行性，通过诊断便能在驱动桥报废前及时发现有问题的齿轮，因而可避免不必要的损失。驱动桥具有不同尺寸，不同种类的齿轮，不同的驱动桥之间齿轮的安装和工作形式等均不尽相同，因而通过实物试验具有局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，无需实物便能准确计算出驱动桥在不同的齿轮故障形式下振动噪声，能够准确预测诊断新能源汽车电驱动桥噪声峰值频率和主要故障零件及故障类型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，包括以下步骤：

S1、基于多体动力学方法建立齿轮具有故障、缺陷以及安装误差等非正常工作状态的电驱动桥多体动力学计算模型，计算出在齿轮具有如上非正常状态情况下各轴承外圈所受的激励力；

S2、基于有限元动力学方法建立电驱动桥的动力学有限元模型，计算出驱动桥在S1计算所得激励力作用下的频率响应；

S3、基于边界元理论建立电驱动桥噪声辐射的边界元模型，基于步骤S2所得数据对电驱动桥的噪声辐射进行数值计算；根据理论计算出在齿轮损坏情况下各部件的工作频率以及由缺陷所触发的频率，以这些频率为目标频率并与噪声峰值频率进行对比匹配，找出理论计算频率与声压峰值频率之间对应关系，进而确定故障类型和故障零件。

上述方案中，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

S11、由三维建模软件ProE建立电驱动桥各部件的三维实体模型，并在ProE软件中进行装配并进行干涉检查以检验三维模型的准确性；

S12、在减速器二轴齿轮齿面建立一轴向缺口来模拟齿轮在工作过程中齿面损伤；

S13、在驱动桥某一齿轮上切除一个轮齿来模拟齿轮的轮齿折断损伤；

S14、对某一齿轮的轮齿进行相应的更改，并对于安装和制造误差也可进行相应的更改，从而准确模拟齿轮的轮齿变形；

S15、将不同的齿轮损坏形式和误差任意匹配，模拟出在工程实际中复杂多变的情况；

S16、在ADAMS软件中分别导入以上所建立齿轮具有缺陷问题的电驱动桥三维实体模型，根据电驱动桥在工程实际中的具体工作形式设置各部件之间的连接关系，并根据汽车运行工况以及汽车各部件参数设置计算边界条件；

S17、设置计算的时间以及时间步，对电驱动桥进行动力学计算，计算结束便可得到在齿轮非正常工作状态下驱动桥各轴承外圈质心处所受的动态激励力。

上述方案中，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S21、利用有限元前处理HyperMesh软件对步骤S1中所建立的实体模型进行网格离散，建立电驱动桥有限元模型；

S22、设立各部件间的连接关系与现实相符；

S23、对以上步骤S1所得各轴承外圈所受的激励力进行傅里叶变换以得到激励的频谱关系；

S24、把傅里叶变换后得激励力加载到有限元模型中各轴承外圈所对应的位置，设置边界条件，进行有限元计算以得到有限元模型各网格节点频率响应数据，该频率响应数据包含各网格节点不同频率下速度、加速度、位移。

上述方案中，所述步骤S3进一步包括以下步骤：

S31、建立声学计算所需的声学边界元网格；

S32、在声学计算软件Virtual.Lab中导入步骤S2计算所得有限元模型各网格节点的频率响应数据，同时导入步骤S31所建边界元模型；

S33、通过映射计算将各节点的振动数据由有限元网格映射到边界上网格，设置空气属性、设置反射面模拟地面、设置ISO场点以及边界条件参数；

S34、提交求解以得到所有计算场点上的声压云图；

S35、在场点网格上的节点位置建立输出点，利用软件自带的voctor-function转化工具把上一步计算所得的云图数据转换到输出点的数值形式，得到该输出点上的声压、声功率数据；

S36、对输出点处声压数据进行分析，找出较大的声压峰值所对应的频率；

S37、基于边界元理论建立电驱动桥噪声辐射的边界元模型，基于步骤S2所得数据对电驱动桥的噪声辐射进行数值计算；根据理论计算出在齿轮损坏情况下各部件的工作频率以及由缺陷所触发的频率，以这些频率为目标频率并与噪声峰值频率进行对比匹配，找出理论计算频率与声压峰值频率之间对应关系，进而确定故障类型和故障零件，为通过噪声测量对电动汽车驱动桥进行准确的故障诊断提供依据。

实施本发明的新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，具有以下有益效果：

1、本发明可以对非正常工作状态下电动车驱动桥的振动噪声进行数值评估，整个过程只需数值计算，省去了搭建实体试验模型所需的时间成本和经济成本；

2、本发明可以针对不同的齿轮损坏形式(齿面损坏、轮齿折断)和安装误差(齿轮轴之间不平行)以及制造误差(齿面误差、齿轮节圆误差)等非正常工作状体进行数值评估，仿真对象灵活多变，克服了实体试验在这方面的不足。

3、本发明提供了一种不需要实物便可模拟驱动桥齿轮的各种缺陷及损坏形式并准确预测噪声的数值计算方法。通过该方法，无需实物试验便可通过数值模拟计算处不同齿轮缺陷及损坏形式所对应的噪声频率，后续可为通过噪声测量对电动汽车驱动桥进行准确的故障零件和故障类型诊断提供依据。

4、本发明方法无需实物成本以及测试成本，花费时间短，并且具有灵活性，可以模拟分析不同的齿轮缺陷以及损坏形式，同时也可用于类似与驱动桥的齿轮传动部件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为齿轮损伤的电驱动桥ADAMS多体动力学模型；

图3为位于减速器二轴损伤齿轮端6206轴承的Y向激励力的时域图；

图4为图3数据为FFT变换后的的频域图；

图5为电驱动桥的有限元动力学模型；

图6为电驱动桥桥壳上各网格节点在490Hz频率下的振动速度数据；

图7为电驱动桥边界元模型的边界元网格；

图8为电驱动桥噪声辐射的边界元模型；

图9为电驱动桥在490Hz下ISO场点的声压云图；

图10为ISO场点上Front输出点上的声压数据。

具体实施方式

为了更加直观的理解本发明，现结合以上各图对本发明中减速器二轴小齿轮轮齿折断这一损坏情况的振动噪声数值计算过程做详细阐述，其它损坏形式以及安装和制造等误差的振动噪声均可采用同样的方式进行计算，故不在一一阐述。本发明的新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法的流程图如图1所示，其具体实施方式如下：

S1、结合工程实际建立减速器二轴小齿轮断齿折断的电动汽车驱动桥ADAMS动力学模型如图2所示，具体步骤如下：

①根据驱动桥各部件的二维工程图由三维建模软件ProE建立三维实体模型，其中包括减速器齿轮轴一轴、减速器齿轮轴二轴、减速器二轴齿轮、差速器外齿圈、差速器壳体、差速器行星轮、左右驱动半轴、减速器壳体、桥壳体、轴承6206、轴承6009、轴承3208-ARS以及键销等部件。根据装配图对各部件进行装配并进行干涉检查以检验三维模型的准确性。

②为了准确模拟在工作过程中轮齿折断这一损坏形式，切除减速器二轴小齿轮某一轮齿来模拟齿轮损坏；其余各部件以及装配关系均保持原状，通过保存副本命令导出装配体的中间格式模型(Parasolid模型)。

③在ADAMS软件中导入②中所导出齿轮折断的电驱动桥实体装配模型，根据驱动桥装配图设置各部件的材料属性。

④根据电驱动桥在工程实际中的具体工作形式设置各部件之间的连接以及接触关系，并根据汽车运行工况以及汽车各部件参数设置边界条件，本例中设置减速器一轴输入转速为100r/s，在左右半轴分别设置反扭矩为1.575×10⁵N·M来模拟驱动桥在车轮行驶过程中受载情况。

⑤设置计算的时间以及时间步，对电驱动桥进行动力学计算，计算结束便可得到在减速器二轴小齿轮轮齿折断故障下电动汽车行驶过程中驱动桥各轴承外圈质心处所受的动态激励力。

⑥通过比较某一轴承滚动体的理论自转速度和动力学模型计算所得自转速度来验证动力学模型的准确性。本例中比较的对象为差速器支撑轴承(6009轴承)的某一滚动体，结果如下：

(1)式中，d_m为轴承节圆直径，n_i为轴承内圈转速，D为滚动体直径，γ＝Dcosα/d_m；由理论计算可知d_m＝59.71mm，n_i＝12.47r/s，D＝9.80mm，γ＝0.164。而通过仿真结果所得该轴承滚动体自转转速约为36.53r/s,考虑计算时的简化以及仿真误差，可认为该仿真模型准确可行。

⑦提取驱动桥各轴承外圈质心处所受激励力，并进行傅里叶变换。其中齿轮折断端6206轴承外圈所受Y向激励力的时域图和频域图分别如图3、图4所示。

S2、建立减速器二轴小齿轮轮齿折断的驱动桥有限元动力学模型，如图5所示，求解在步骤S1中所得激励力为载荷下有限元模型各节点振动情况的频率响应。具体实施步骤如下：

①利用有限元前处理HyperMesh软件对步骤S1中所建立的实体模型进行网格离散，建立电驱动桥有限元模型。

②设立各部件间的连接关系与现实相符。

③载荷加载，把步骤S1中⑦所得各轴承外圈所受激励力经过FFT变换之后的频域数据加载到有限元模型相应的位置(本例中，为了让后续计算结果更为清晰可辨以及减少计算量，故仅加载损坏齿轮端轴承外圈Y向所受得载荷)。

④对求解的频率步以及输出参数和输出范围进行设置，由于驱动桥噪声由其壳体振动引起，故仅输出桥壳上各网格节点计算结果。

⑤本例中考虑模型规模较大，故采用模态法求解频率响应分析。采用的求解软件为Nastran，对应的求解系列为SOL111。

⑥求解完成便可得到桥壳上各网格节点在不同频率下得速度响应值，图6为490Hz频率下桥壳的速度响应云图。

S3、建立减速器二轴小齿轮断齿损坏的驱动桥声学边界元模型，如图7所示，由步骤S2所求结果计算驱动桥的振动噪声。具体实施步骤如下：

①本例所需要计算的是电驱动桥所引起的外部噪声，所以采用的计算方法为声学边界元法。

②基于步骤S2中所建立的结构有限元模型利用HyperMesh建立声学边界元网格如图8所示。

③在声学计算软件Virtual.Lab的声学边界元计算模块中导入步骤S2计算所得包含各网格节点振动的频率响应数据的OP2结果文件。同时导入步骤S3中②建立的边界元模型。

④通过Date Transfer Case命令将电驱动桥壳上各节点的振动数据通过映射算法映射到边界上网格。

⑤设置材料属性为空气、设置反射面模拟地面、设置ISO场点等边界条件。

⑥提交求解得到计算场点上的声压云图，图9为490Hz频率下ISO场点上的声压云图。

⑦在场点网格上我们所关心的节点位置建立输出点，利用软件自带的voctor-function转化工具便可把上一步计算所得的云图数据转换到输出点的数值形式，便可以得到该输出点上的声压、声功率等数据。

⑧图10为驱动桥Front输出点处的声压-频率数据，对输出点处声压数据进行分析，找出较大的声压峰值所对应的频率。

⑨根据理论计算出在减速器二轴小齿轮损坏情况下各部件的工作频率以及由缺陷所触发的频率(如缺口啮合的频率)，以这些频率为目标频率并与⑧中所确立的噪声峰值频率进行匹配，以找出损伤频率与峰值声压之间一一对应关系。

本例中各级齿轮啮合频率理论计算如下：

减速器一、二轴啮合频率：

(2)式中Z₁为减速器一轴齿轮齿数。n₁为减速器一轴转速。

减速器二、三轴啮合频率：

(3)式中Z₁、Z₂分别为一二轴啮合齿轮齿数，Z₃为二轴与三轴相啮合的齿轮齿数。n₁为减速器一轴转速。

本例中缺齿所触发频率计算如下：

由齿轮旋转啮合关系可知：本例中缺陷所触发频率为该齿轮轴的旋转频率(该频率是小齿轮轮齿折断特征频率)，即

(4)式中n₁为减速器一轴转速，在本例计算中，减速器一轴转速为n₁＝100r/s。Z₁、Z₂分别为一二轴啮合齿轮齿数。

分析上一步找出的对应关系，可以发现噪声峰值频率49Hz、96Hz、145Hz、194Hz、242Hz、291Hz、342Hz、390Hz、436Hz、484Hz与理论计算所得齿轮折断所触发频率的基频以及陪频很好的吻合；噪声峰值频率874Hz、1700Hz和1748Hz与理论计算所得减速器一二轴齿轮啮合频率f₁₂、二三轴齿轮啮合频率f₂₃以及一二轴齿轮啮合频率的2倍频(2f₁₂)很好的吻合。因此，获得噪声频率后即可分析得到故障的零件和该零件的故障类型。

因而可以发现：本例中通过边界元法计算所得的噪声峰值频率与经过理论计算所得齿轮损坏之后所触发的频率及其倍频之间有着准确的相对应关系。因而本发明提供了一种无需实物便可模拟驱动桥齿轮的各种缺陷及损坏形式并准确预测噪声的数值计算方法。通过该方法，无需实物试验便可通过数值模拟计算处不同齿轮缺陷及损坏形式所对应的噪声频率，后续可为通过噪声测量对电动汽车驱动桥进行准确的故障诊断提供依据。相比之下，该方法无需实物成本以及测试成本；另外花费时间短；并且具有灵活性，可以模拟分析不同的齿轮缺陷以及损坏形式，同时也可用于类似与驱动桥的齿轮传动部件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于多体动力学方法建立齿轮具有故障、缺陷以及安装误差等非正常工作状态的电驱动桥多体动力学计算模型，计算出在齿轮具有如上非正常状态情况下各轴承外圈所受的激励力；

S2、基于有限元动力学方法建立电驱动桥的动力学有限元模型，计算出驱动桥在激励力作用下的频率响应；

S3、基于边界元理论建立电驱动桥噪声辐射的边界元模型，基于步骤S2所得数据对电驱动桥的噪声辐射进行数值计算；根据理论计算出在齿轮损坏情况下各部件的工作频率以及由缺陷所触发的频率，以这些频率为目标频率并与噪声峰值频率进行对比匹配，找出理论计算频率与声压峰值频率之间对应关系，进而确定故障类型和故障零件。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

S11、由三维建模软件ProE建立电驱动桥各部件的三维实体模型，并在ProE软件中进行装配并进行干涉检查以检验三维模型的准确性；

S12、在减速器二轴齿轮齿齿面建立一轴向缺口来模拟齿轮在工作过程中齿面损伤；

S13、在驱动桥某一齿轮上切除一个轮齿来模拟齿轮的轮齿折断损伤；

S14、对某一齿轮的轮齿进行相应的更改，并对于安装和制造误差也可进行相应的更改，从而准确模拟齿轮的轮齿变形；

S15、将不同的齿轮损坏形式和误差任意匹配，模拟出在工程实际中复杂多变的情况；

S16、在ADAMS软件中分别导入以上所建立齿轮具有缺陷问题的电驱动桥三维实体模型，根据电驱动桥在工程实际中的具体工作形式设置各部件之间的连接关系，并根据汽车运行工况以及汽车各部件参数设置计算边界条件；

S17、设置计算的时间以及时间步，对电驱动桥进行动力学计算，计算结束便可得到在齿轮非正常工作状态下驱动桥各轴承外圈质心处所受的动态激励力。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S21、利用有限元前处理HyperMesh软件对步骤S1中所建立的实体模型进行网格离散，建立电驱动桥有限元模型；

S22、设立各部件间的连接关系与现实相符；

S23、对以上步骤S1所得各轴承外圈所受的激励力进行傅里叶变换以得到激励的频谱关系；

S24、把傅里叶变换后得激励力加载到有限元模型中各轴承外圈所对应的位置，设置边界条件，进行有限元计算以得到有限元模型各网格节点频率响应数据，该频率响应数据包含各网格节点不同频率下速度、加速度、位移。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车电驱动桥齿轮故障的预测诊断方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括以下步骤：

S31、建立声学计算所需的声学边界元网格；

S32、在声学计算软件Virtual.Lab中导入步骤S2计算所得有限元模型各网格节点的频率响应数据，同时导入步骤S31所建边界元模型；

S33、通过映射计算将各节点的振动数据由有限元网格映射到边界上网格，设置空气属性、设置反射面模拟地面、设置ISO场点以及边界条件参数；

S34、提交求解以得到所有计算场点上的声压云图；

S35、在场点网格上的节点位置建立输出点，利用软件自带的voctor-function转化工具把上一步计算所得的云图数据转换到输出点的数值形式，得到该输出点上的声压、声功率数据；

S36、对输出点处声压数据进行分析，找出较大的声压峰值所对应的频率；

S37、根据理论计算出在齿轮损坏情况下各部件的工作频率以及由缺陷所触发的频率，以这些频率为目标频率并与S36中所确立的峰值频率进行匹配，找出理论计算频率与声压峰值频率之间对应关系，进而确定故障类型和故障零件，为通过噪声测量对电动汽车驱动桥进行准确的故障诊断提供依据。