行星排电驱动噪音控制：公差与电机激励的声学影响研究

在电动汽车迅猛发展的今天，静谧的驾驶体验已成为衡量车辆品质的重要标准。与传统燃油车不同，电动车没有发动机噪音的 “掩护”，齿轮箱的细微声响都会被放大，成为影响驾乘感受的关键因素。ARRK Engineering 的研究团队近期针对行星齿轮箱的声学特性展开深入探索，通过仿真分析揭示了装配公差与电机激励对齿轮箱噪音的影响机制，为电动车传动系统的低噪音设计提供了重要参考。

一、研究背景：电动车齿轮箱的声学挑战

传统燃油车中，发动机噪音通常掩盖了传动系统的细微振动，但电动车的电机运行相对安静，齿轮箱的声学表现因此成为焦点。行星齿轮箱因其紧凑结构和高传动效率，在电动车驱动系统中被广泛应用，但其复杂的静态过约束结构会导致独特的振动行为。

研究目的：

• 探索装配公差对行星齿轮箱声学行为的影响机制

• 对比标称配置与公差影响下的噪音差异

• 分析电机激励与齿轮箱声学响应的耦合关系

二、标称齿轮箱的声学特性

1. 仿真模型构建

研究团队采用 Simpack建立了高精度多体动力学模型，包含齿轮箱壳体、驱动轴、行星保持架、齿圈等关键部件，通过 Craig-Bampton 方法实现柔性体与刚体的耦合，精确捕捉各部件的自由度（DOF）与变形特性。

2. 速度 - 噪音特性曲线

通过 500-5000rpm 的升速仿真发现，齿轮箱噪音随转速升高呈显著增长趋势，并在 2700rpm 和 4000rpm 出现特征峰值。这一现象与齿轮啮合阶次（Tooth Mesh Orders）的激励密切相关，转速越高，啮合频率引发的振动能量越强。

3. 传输误差与声辐射功率

• 传输误差（Transmission Error）

  衡量齿轮啮合精度的关键指标，随扭矩和转速增加而增大。例如，4000rpm 时，250Nm 扭矩下的峰值传输误差（PPTE）达 9.4μm，是 50Nm 扭矩时的 4.5 倍。  

• 等效辐射功率（ERP）
  表征噪音辐射强度。2700rpm 时，轴向齿轮力主导 ERP 分布；4000rpm 时，齿圈加速度成为主要贡献源，两者差值可达 20dB 以上。  

三、装配公差：被忽视的噪音 “隐形推手”

1. 3D 公差分析方法

借助 3DCS 软件建立公差仿真模型，分析 12 个测量点（MP1-MP12）的位置偏差，重点关注轴承间隙、齿轮定位等因素对装配精度的影响。

2. 公差对传输误差的影响

• 含公差样本的传输误差较标称配置最多增加 30%，尤其在低负载（50Nm）工况下更为明显。
• 轴承间隙的合理设计可缓解公差带来的负面影响，使 PPTE 降低约 20%。
• 行星架阶次与第二级齿轮啮合阶次的调制作用，导致频谱复杂度增加，噪音特性更难预测。

3. 声辐射功率的波动

• 部分公差样本（如 Sample2、Sample3）使 ERP 较标称配置升高 2.6dB，而 Sample1、Sample4 则降低 0.5dB，体现出公差影响的非线性特征。
• 公差导致振动能量向更宽频带扩散，可能引发 “嗡嗡声” 等低频噪音问题。

四、电机激励：齿轮箱噪音的 “外部推手”

1. 扭矩波动的耦合效应

电机气隙中的切向与径向力密度随转子角度动态变化，通过转子轴传递至齿轮箱，导致传输误差较恒定扭矩假设增加 30%。这种激励会引入额外的定子齿力阶次，改变噪音的频谱构成。

2. 系统集成的重要性

仿真显示，电机激励与齿轮箱固有频率的耦合可能引发共振。例如，第三级齿轮啮合阶次与电机极对数激励的叠加，会显著放大特定频段的噪音辐射。

五、研究启示：从仿真到工程应用

1. 设计阶段的噪音管控

• 在概念设计阶段引入多体仿真（MBS）与 3D 公差分析，提前识别高风险公差组合。
• 优化轴承间隙与齿轮定位精度，平衡制造成本与声学性能。

2. 电机 - 齿轮箱协同设计

• 考虑电机扭矩波动特性，通过齿轮参数优化（如模数、压力角）降低激励传递效率。
• 采用柔性联轴器等减振元件，切断振动传递路径。

3. 未来研究方向

研究团队计划进一步探索：

• AI 方法在大参数空间分析中的应用
• 法兰连接与轴承激励的精细化建模
• 驾驶员位置噪音传递路径的系统级仿真

结语

在电动车 “静音竞赛” 中，齿轮箱的声学设计已从 “事后优化” 转向 “源头控制”。ARRK Engineering 的研究表明，装配公差与电机激励是影响齿轮箱噪音的两大核心因素，而基于Simpack的多物理场仿真技术为精准预测与优化提供了强大工具。随着仿真方法的不断完善，未来电动车传动系统将在效率与静谧性之间实现更优平衡，为用户带来真正 “丝滑” 的驾驶体验。