Movilidad eléctrica: Análisis NVH (ruido, vibración, dureza) de un eje eléctrico

Movilidad eléctrica: Análisis NVH (ruido, vibración, dureza) de un eje eléctrico

El análisis NVH, que significa Ruido, Vibración y dureza, es el estudio y la medición de la respuesta auditiva y táctil de un vehículo para mejorar la calidad de conducción y el rendimiento general. Los ingenieros identifican sonidos y vibraciones no deseados provenientes de fuentes como el motor o la carretera, y luego utilizan simulación y pruebas físicas para reducirlos o eliminarlos. El objetivo del análisis NVH es crear una experiencia de conducción más silenciosa, suave y cómoda optimizando la acústica del vehículo y reduciendo sus características de vibración.

Se presenta una metodología de simulación  para el análisis NVH de un eje eléctrico (EDU), que integra: el trazado de órdenes mecánicas y eléctricas; el análisis modal y la simulación flexible multicuerpo.

 

Análisis NVH de un eje eléctrico

La emisión de ruido de un eje eléctrico (Electric Drive Axle, EDU) es el resultado de las vibraciones de alta frecuencia generadas por las fuerzas electromagnéticas en el rotor, por el engrane de las ruedas dentadas (ruido) y por la presencia del inversor electrónico (Driver).

A diferencia de los sistemas tradicionales de combustión interna, donde el ruido de baja frecuencia tiende a enmascarar las perturbaciones de alta frecuencia, el EDU presenta niveles de presión sonora más bajos, concentrados en frecuencias más altas, que son más fácilmente perceptibles y molestos.

Se presta especial atención a la comparación entre engranajes de baja relación de contacto (LCR) y de alta relación de contacto (HCR), evaluando parámetros como el error de transmisión pico a pico (PPTE), las fuerzas de engrane, las cargas sobre los rodamientos y la potencia acústica radiada equivalente (ERP).

 

Introducción

La industria automotriz tiende hacia la movilidad eléctrica, adoptando sistemas de propulsión que reducen el consumo de combustibles fósiles y las emisiones de "tanque a rueda". La adopción de una EDU implica una reducción significativa del nivel de emisiones sonoras tanto dentro como fuera del vehículo, especialmente a bajas velocidades. Sin embargo, la nueva configuración acústica se caracteriza por la presencia de tonos distintivos provenientes del motor eléctrico, la transmisión y el inversor. Por esta razón, las simulaciones de NVH son fundamentales en la fase de diseño, ya que permiten una correcta integración del componente en el vehículo e identifican posibles puntos críticos.

 Análisis, metodología y caso práctico

Las estrategias para definir los objetivos acústicos pueden implementarse tanto a nivel de sistema (sintetizando el nivel de presión sonora en el habitáculo mediante funciones de transferencia) como a nivel de componente, analizando exhaustivamente la contribución individual de los subsistemas. Numerosos estudios realizados por institutos especializados (por ejemplo, el Laboratorio de Engranajes de la Universidad Estatal de Ohio, el Centro de Investigación de Engranajes (FZG) de la Universidad Técnica de Múnich y el Laboratorio de Vibraciones y Tren Motriz de la Universidad de Módena y Reggio Emilia, Italia) han contribuido a la definición de parámetros de optimización del NVH para motores y transmisiones eléctricas.

 

La unidad de transmisión eléctrica (EDU) examinada se caracteriza por un motor eléctrico y una transmisión de una sola velocidad con dos etapas de reducción cilíndricas (figura 1).

La potencia es suministrada por un motor síncrono de imanes permanentes; el acoplamiento entre el motor y la transmisión se realiza mediante un estriado.

La máquina eléctrica se caracteriza por 2p = 6 polos y s = 36 ranuras en el estator. La corona de la segunda etapa está integrada en el cuerpo diferencial, y no se modela en este caso.

Se presenta dos conjuntos de engranajes: LCR (con baja relación de contacto) y HCR (con alta relación de contacto, es decir, ea > 2). En ambos casos, el orden de engrane es 23,00 para la primera etapa de reducción y 9,98 para la segunda. El orden 1 se refiere al rotor de la máquina eléctrica.

 

Representación gráfica de órdenes y análisis modal

La primera fase de la metodología comprende:

La representación gráfica de órdenes mecánicos y eléctricos en un Diagrama de Campbell. El cual es un gráfico que representa las frecuencias de vibración de un sistema rotatorio en función de su velocidad de giro. Su principal uso es identificar las velocidades críticas y las condiciones de resonancia, donde la velocidad de operación del sistema coincide con una de sus frecuencias naturales de vibración, lo que puede generar daños. El mismo  resalta tanto las resonancias del sistema como la velocidad de la máquina eléctrica adoptada en simulaciones multicuerpo.

 

El cálculo de las formas de los modos EDU, que permite identificar los modos de vibración del sistema. Las primeras frecuencias naturales obtenidas, por ejemplo, se encuentran entre 238 Hz y 719 Hz, lo que proporciona una base para la predicción de posibles interacciones entre los órdenes de forzamiento (mallas, máquina eléctrica, inversor) y las resonancias estructurales (figura 2).

Modelado multicuerpo y simulación de respuesta forzada

A continuación, el eje eléctrico se modela como un sistema multicuerpo flexible. Mediante la técnica de condensación modal de Craig-Bampton (método de «síntesis de componentes modales» que permite reducir el tamaño de un modelo de análisis de elementos finitos al combinar los grados de libertad (GLD) de los nodos de interfaz de una subestructura con los modos propios de esa subestructura), el modelo permite estudiar la respuesta forzada del sistema. En este contexto, los parámetros del engranaje pueden importarse directamente desde KISSsys (módulo del sistema KISSsoft para modelar y analizar sistemas de transmisión de potencia completos, como reductores y trenes de accionamiento) para garantizar la coherencia con la fase de diseño.

 Para evaluar la mejora del NVH, se comparan dos configuraciones de engranajes:

 Engranaje LCR (Baja Relación de Contacto): perfil estándar según la norma ISO-53.

 Engranaje HCR (Alta Relación de Contacto): caracterizado por una alta relación de contacto (ea > 2) y diseñado con modificaciones microgeométricas, como curvaturas longitudinales, rebajes de cabeza y variaciones del ángulo de hélice, para reducir las fuerzas de engrane y de PPTE (figura 3).

 

 

Los parámetros de comparación son los siguientes:

 - Error de transmisión (PPTE): analizado en los dominios de tiempo y frecuencia para ambas etapas de reducción.

 -Fuerzas de engranaje: las simulaciones muestran una reducción significativa del contenido armónico en el perfil HCR.

 -Cargas en los rodamientos: son menores en términos de pico a pico y contenido armónico en la configuración HCR, ya que los órdenes de rotación (por ejemplo, 1,00 para el eje de entrada, 0,48 para el intermedio y 0,11 para el de salida) se ven influenciados principalmente por desalineaciones y holguras causadas por la rigidez de la carcasa.

 

Análisis modal restringido

El análisis modal de la EDU se realiza en plataformas para evaluar los modos de vibración del sistema. Las primeras diez frecuencias naturales se listan en la siguiente tabla.

El objetivo de este análisis es predecir la interacción de los principales órdenes de forzamiento (mallas, máquina eléctrica, etc.) con las resonancias del sistema. La Figura 4 muestra el diagrama de Campbell extendido: cuando las frecuencias de resonancia intersecan los órdenes de excitación, se espera una amplificación de la respuesta.

 

Los resultados de la simulación multicuerpo realizada con carcasa flexible se presentan a continuación. El error de transmisión se analiza en la figura 5 para ambas etapas de reducción, tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. La magnitud del orden de engrane es menor para los engranajes HCR. Aparecen bandas laterales debido a que la frecuencia de engrane se modula mediante los órdenes de rotación de los ejes. Los órdenes de rotación de los ejes, calculados mediante las relaciones de transmisión de ambas etapas, son respectivamente 1,00 para el eje de entrada, 0,48 para el eje intermedio y 0,11 para el eje de salida. La magnitud de estos órdenes es similar para los engranajes LCR y HCR, ya que se deben principalmente a la presencia de desalineaciones inducidas por la rigidez de la carcasa y las holguras de los rodamientos.

Los esfuerzos en el engranaje se muestran en la figura 6 y confirman una reducción significativa del contenido armónico del engranaje HCR en comparación con el engranaje LCR.

 

 

Potencia acústica radiada equivalente (PRE)

La potencia acústica radiada equivalente (PRE) se define como sigue:

Donde fRLF es el factor de pérdida, C es la velocidad del sonido, ρ es la densidad del material portador de las vibraciones (por ejemplo, el aire), Ai es el área de la i-ésima superficie y vi es la componente normal de la velocidad superficial en dicha superficie.

 La Figura 7 presenta la comparación entre los dientes LCR y HCR en términos de ERP: las regiones rojizas representan una radiación sonora más intensa, lo que confirma las observaciones previas sobre la mejora del rendimiento acústico mediante la adopción de dientes con una alta relación de contacto.

 Además, el mapa de la Figura 7 resulta sumamente útil para investigar la contribución de cada región de la carcasa a la emisión sonora total y para orientar las modificaciones de diseño (por ejemplo, el refuerzo local mediante nervaduras).

 

Los resultados de las simulaciones multicuerpo, realizadas con una carcasa flexible, destacan:

 Error de transmisión: La simulación de tiempo y frecuencia muestra una menor amplitud del orden de engrane para el engranaje HCR, a pesar de la aparición de bandas laterales debido a la modulación de los órdenes de rotación inducida por la rigidez de la carcasa y las holguras de los rodamientos.

 Esfuerzos en los engranajes: Las simulaciones (figura 6) confirman una reducción significativa del contenido armónico de la fuerza de engrane para la configuración HCR.

 Cargas sobre los rodamientos: La comparación de los espectros de fuerzas que actúan sobre los rodamientos (figura 6) indica que la configuración HCR genera cargas más bajas, lo que contribuye a una mayor fiabilidad y menores tensiones mecánicas.

 ERP: Los mapas de ERP (figura 7) destacan claramente que las regiones críticas de la carcasa están menos expuestas a una radiación sonora intensa en la configuración HCR, lo que sugiere posibles intervenciones específicas, como la rigidización local mediante la aplicación de nervaduras.

 

Conclusiones

El artículo ilustra una metodología detallada para el análisis NVH de un eje eléctrico (EDU), que integra el trazado de órdenes mecánicas y eléctricas, el análisis modal y la simulación multicuerpo flexible. La comparación entre engranajes con dentado estándar (LCR) y alta relación de contacto (HCR) mostró una mejora significativa en el rendimiento acústico: se registró una reducción de la PPTE, los esfuerzos en engranajes y las cargas sobre los rodamientos, acompañada de una disminución de la potencia acústica radiada equivalente.

 

Artículo condensado de en un estudio presentado en https://www.electricmotorengineering.com/nvh-analysis-of-an-electric-axle

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2005.-