Le caratteristiche di Noise, Vibration e Harshness (NVH), traducibili come rumorosità, vibrazione e rigidezza, sono aspetti cruciali nella progettazione dei veicoli e, in particolare, di quelli elettrici. In questo ambito, uno dei principali obiettivi è la comprensione del comportamento dei motori elettrici, nonché lo studio dell’interazione tra i vari componenti del veicolo e delle prestazioni complessive a livello di sistema. In questo contesto, si rendono necessarie analisi e misurazioni rigorose, tra cui, ad esempio, l’analisi delle vibrazioni, la misurazione del rumore e la modellazione della dinamica del sistema. Tali strumenti sono essenziali per individuare e risolvere potenziali problemi NVH, garantendo qualità, prestazioni e comfort dei passeggeri. Nel veicolo elettrico, l’assenza del rumore tipico del motore a combustione interna altera significativamente le caratteristiche acustiche complessive. Infatti, risultano evidenziate altre fonti di rumore, come quello generato dalla trasmissione e dal contatto ruota-strada, richiedendo un’attenzione particolare agli effetti sul conducente di queste sorgenti di rumore. Inoltre, le diverse distribuzioni di carico nei veicoli elettrici determinano nuove risposte e frequenze di eccitazione. Il rumore dei motori elettrici, derivante principalmente da forze elettromagnetiche e dal rumore ad alta frequenza generato dagli inverter, ha un impatto significativo sulle caratteristiche NVH complessive. Per la progettazione e lo sviluppo dei veicoli elettrici, si rende dunque essenziale un approccio NVH di tipo olistico, considerando le complesse caratteristiche di generazione e propagazione del rumore nei gruppi propulsori dei veicoli elettrici, che richiedono un know-how multidisciplinare per affrontare al meglio le sfide menzionate in precedenza. La trasmissione viene quindi modellata e analizzata nel suo complesso e non solo a livello di singoli componenti. In questo contesto, si enfatizzano l’analisi e lo studio di quelle complesse interazioni e comportamenti dinamici che caratterizzano l’intero sistema di trasmissione.
I principali fattori che influenzano l’NVH nei propulsori elettrici
Nei gruppi propulsori dei veicoli elettrici, le principali fonti di generazione di rumore e vibrazioni sono il motore elettrico, l’inverter, la trasmissione con riduttore di velocità e, se presenti, la ventola di raffreddamento e le pompe (figura 1).
Le componenti evidenziate in figura 1, considerate singolarmente, avrebbero potenzialmente un NVH accettabile, tuttavia, le criticità si manifestano in caso di interazione reciproca. Di seguito esaminiamo in dettaglio le tipologie di rumore generato da ogni singola parte e le relative cause:
- Trasmissione e riduttore (cambio): rumore meccanico dovuto a vibrazioni provocate da tolleranze dimensionali del cambio (TE) sollecitato meccanicamente.
- Motore elettrico: genera eccitazioni tramite forze elettromagnetiche provocando il cosiddetto “fischio”.
- Inverter ed elettronica di potenza: includono componenti che contengono armoniche di ordine superiore, legate alla modulazione PWM (pulse width modulation) del segnale.
- Ventole di raffreddamento e pompe: generano rumore legato a fenomeni fluidici descritti con leggi di aerodinamica.
La combinazione di questi elementi è responsabile della maggior parte del rumore complessivo generato dai veicoli elettrici, che include sia il rumore “aereo” che quello strutturale.
Fonti di rumore e vibrazioni, come il motore elettrico, il cambio e l’elettronica di potenza, agiscono anche come sorgenti di vibrazione meccanica. Vibrazioni e rumore vengono propagati attraverso vari percorsi: le vibrazioni strutturali si propagano attraverso la struttura del veicolo, mentre il rumore trasmesso per via aerea si propaga attraverso l’aria. Tali percorsi svolgono un ruolo cruciale nel modo in cui suoni e vibrazioni vengono percepiti dall’orecchio umano, influenzando l’esperienza sensoriale complessiva e il comfort all’interno del veicolo (figura 2).
Considerare sia le fonti di eccitazione sia i percorsi di trasferimento è essenziale per ridurre al minimo gli impatti NVH.
Figura 2. Meccanismo di generazione del rumore e percorso di trasmissione nel gruppo propulsore. Fonte: [Horváth K et al.]
Tecniche per l’ottimizzazione NVH nei veicoli elettrici
Durante lo sviluppo di un veicolo elettrico è essenziale per i produttori soddisfare sia le normative in tema di inquinamento acustico, sia le esigenze dei clienti. Le diverse misure di contenimento sonoro devono essere applicate a tutti i componenti della catena di trasmissione. Strategie adottabili per una ottimizzazione NVH includono tecniche di progettazione avanzate, ingegneria di precisione su larga scala, materiali isolanti porosi ed elastici nonché approcci innovativi per esigenze specifiche.
Modelli di simulazione per l’analisi NVH
Il tipico gruppo propulsore in un veicolo elettrico è costituito in generale da un motore elettrico combinato con un riduttore. Per prevedere con precisione il rumore generato dal gruppo propulsore nel suo complesso, è necessario considerare le prestazioni dinamiche e le caratteristiche acustiche sia del motore elettrico che del riduttore nel loro insieme nonché le modalità in cui questi due componenti principali interagiscono tra di loro. In figura 3 si riporta un modello computazionale ideato per simulare il comportamento del gruppo propulsore in varie condizioni e per prevedere il rumore generato.
Simulazione elettro-magnetica (EM)
Questo tipo simulazione ha lo scopo di determinare le eccitazioni generate da forze elettromagnetiche che, nei motori elettrici, rappresentano la fonte principale dei problemi NVH. Tali forze sono solitamente stimate tramite calcoli analitici o numerici, implementati in specifici software per risolvere le equazioni differenziali alla base del modello che descrive la macchina elettrica. Tali equazioni considerano la geometria e le non-linearità elettromagnetiche della macchina. La risposta viene quindi analizzata utilizzando FEA (finite elements analysis) strutturale 3D oppure MBD (multi-body dynamics).
La simulazione vibro-acustica di una macchina elettrica si basa su una co-simulazione, in genere tra un applicativo che esegue l’analisi elettromagnetica e un risolutore basato sul metodo degli elementi finiti (FE) che definisce il comportamento strutturale. Ciò richiede che la FEA strutturale venga risolta a ogni passo temporale. Per progettare e analizzare motori elettrici, attuatori, sensori, trasformatori e altri dispositivi elettromeccanici vengono utilizzati specifici software di simulazione del campo elettromagnetico come, ad esempio, “ANSYS Maxwell”. L’obiettivo è simulare i campi elettromagnetici e quantificare la forza generata e le conseguenti vibrazioni nei motori elettrici. Il software cattura accuratamente le interazioni elettromagnetiche che si verificano in un motore, tenendo conto dello statore, del rotore, degli avvolgimenti e dei materiali magnetici. La combinazione dei risultati ottenuti con i dati derivanti dagli strumenti di simulazione elettromagnetica è fondamentale per comprendere come le forze elettromagnetiche influenzano il livello NVH nel gruppo propulsore in generale. Ad esempio, i dati della simulazione possono essere importati in strumenti multi-body o di analisi numerica per valutare le dinamiche di vibrazione e rumore causate dalle forze nel motore e nelle zone limitrofe.
Le simulazioni consentono inoltre di prevedere e visualizzare l’entità e la distribuzione delle forze elettromagnetiche nel motore. Se tali forze risultano disuguali o interagiscono con risonanze meccaniche, possono verificarsi vibrazioni significative. I dati sulle vibrazioni generati dall’analisi elettromagnetica vengono quindi utilizzati in simulazioni acustiche per comprendere come le vibrazioni si manifestano sotto forma di rumore udibile, contribuendo al profilo NVH del veicolo. Inoltre, strumenti di simulazione elettromagnetica vengono utilizzati per garantire prestazioni soddisfacenti già in fase di progettazione. Sulla base di modifiche nella geometria dei componenti elettromagnetici, nella configurazione degli avvolgimenti e nelle proprietà dei materiali, è possibile ridurre il comportamento vibrazionale indesiderato e migliorare le prestazioni NVH dei motori elettrici. Ad esempio, è stato dimostrato come l’ottimizzazione delle dimensioni e della posizione dei magneti nei PMSM abbia comportato una significativa riduzione dell’oscillazione di coppia dal 46% al 16%. Ciò evidenzia l’importanza di una modellazione elettromagnetica precisa e l’efficacia di tecniche di ottimizzazione avanzate nel ridurre il comportamento vibratorio e migliorare le prestazioni complessive del motore.
Simulazione dinamica multi-corpo mediante corpi flessibili
All’inizio di una simulazione dinamica multi-corpo, il motore elettrico è un componente critico del gruppo propulsore ed è incluso nel modello di sistema al fine di ricavare e descrivere tutte le sue complesse dinamiche. Questa simulazione mira, inoltre, ad affrontare l’impatto del motore elettrico su tutte le altre componenti del gruppo propulsore, come ruote dentate e alberi, analizzando la dinamica rotazionale, la generazione di coppia e qualsiasi flessibilità nei supporti o negli accoppiamenti del motore. La simulazione si estende oltre la normale dinamica del corpo rigido e incorpora la flessibilità dei corpi, emulando il comportamento dinamico effettivo dei motori. Le interazioni tra i carichi dinamici, le vibrazioni degli ingranaggi e le forze di contatto sono rappresentate con precisione da un modello meccanico corrispondente (figura 4).
Analisi strutturale
Nella fase di analisi strutturale, l’attenzione è rivolta ai carichi e alle sollecitazioni specifiche del motore elettrico, tra cui forze elettromagnetiche, sollecitazioni meccaniche derivanti dalla generazione di coppia e forze vibrazionali. Utilizzando metodi a elementi finiti, viene analizzata l’integrità strutturale del motore e il suo impatto sulla struttura complessiva del gruppo propulsore, come l’involucro o i punti di montaggio. Questo passaggio è fondamentale per comprendere come si originano e propagano le vibrazioni. È stato dimostrato che armoniche specifiche delle correnti di alimentazione possono influenzare significativamente il comportamento vibratorio delle macchine elettriche. Ciò sottolinea l’importanza di una modellazione acustica accurata e l’efficacia di strategie avanzate di controllo del rumore.
Calcolo delle radiazioni acustiche
Il calcolo delle radiazioni acustiche è affrontato mediante un modello acustico che rappresenta la trasformazione di queste vibrazioni in suoni (figura 5).
L’attenzione è rivolta alle vibrazioni del motore, in particolare a quelle derivanti dalle forze elettromagnetiche e dalle interazioni delle ruote dentate, che contribuiscono al rumore complessivo del gruppo propulsore. Oggi i sistemi di controllo attivo del rumore stradale hanno raggiunto un’attenuazione media del rumore pari a circa 3,4 dB nella posizione del conducente e del sedile posteriore destro per frequenze massime di 400 Hz.
Di seguito sono approfondite le diverse fasi di un processo tipico per l’analisi e la simulazione NVH nello sviluppo di propulsori per veicoli elettrici. Si precisa che alcuni passaggi e strumenti possono variare a seconda della fattispecie. 1) Definizione di obiettivi e requisiti della simulazione, concentrandosi su aspetti come l’identificazione della sorgente di rumore, la valutazione del livello di rumore e le strategie di riduzione dello stesso. Identificare con chiarezza i principali parametri e indicatori di prestazione, comprese specifiche metriche NVH. 2) Raccolta e preparazione dei dati necessari. Tali dati possono provenire da varie fonti e riguardare le proprietà fisiche del gruppo propulsore, le caratteristiche operative e fattori ambientali. 3) Sviluppo di modelli dettagliati dei componenti del gruppo propulsore mediante FEM e integrando la modellazione MBD. È necessario includere componenti flessibili quali alloggiamenti del motore e del cambio, alberi, cuscinetti e contatti dei denti degli ingranaggi. 4) Integrazione di simulazioni elettromagnetiche con modelli meccanici per un’analisi completa delle vibrazioni. 5) Sviluppo di modelli acustici mediante metodi come BEM (Boundary Element Method) per ottenere previsioni circa la generazione di onde sonore a partire dalle vibrazioni del gruppo propulsore e definire l’ambiente acustico. 6) Validazione indipendente di ciascun modello relativo al componente considerato rispetto ai dati sperimentali per verificarne l’accuratezza. 7) Integrazione dei modelli dei singoli componenti al fine di ottenere un unico modello del gruppo propulsore, per una rappresentazione accurata delle interfacce e delle interazioni dinamiche. 8) Simulazione di vari scenari operativi per comprendere le dinamiche NVH in diverse condizioni operative. 9) Analisi dei risultati della simulazione NVH: utilizzare la potenza equivalente irradiata (ERP) per rilevare l’energia emessa sotto forma di suono; il livello di pressione sonora (SPL) per quantificare l’energia acustica percepita e i diagrammi di Campbell, sia 2D che 3D, per visualizzare la risposta in frequenza ed identificare le velocità critiche. Valutare le singole modalità sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza per un’analisi dettagliata. 10) Perfezionamento del modello, sulla base dell’analisi NVH, per aumentarne la precisione, regolando le proprietà dei materiali, le condizioni al contorno o le geometrie. 11) Test e ottimizzazione iterativi: iterare il processo di simulazione, adattando il modello in base ai risultati NVH e rieseguendo i test per ridurre il rumore o apportare miglioramenti al design. Validazione finale e reporting: convalidare il modello finale rispetto ai dati noti o ai risultati sperimentali. 12) Interpretazione dei risultati NVH per comprendere il comportamento acustico del gruppo propulsore. Utilizzare analisi nel dominio del tempo e della frequenza per identificare e valutare specifiche modalità di vibrazione ed il loro impatto NVH. Analizzare i risultati di stress e spostamento dell’involucro per supportare l’ottimizzazione strutturale al fine di ridurre il rumore e migliorare la durabilità. 13) Sulla base dell’analisi NVH completa, formulare raccomandazioni di progettazione volte a ridurre rumore e vibrazioni, migliorando al contempo la qualità acustica complessiva del gruppo propulsore. Proporre eventuali modifiche per quanto concerne la progettazione di quest’ultimo.
Durante queste fasi, è utile adottare un approccio olistico, essenziale per un’efficace riduzione del rumore e, in definitiva, per migliorare la qualità acustica. Il processo descritto combina una modellazione dettagliata dei componenti del gruppo propulsore, elementi flessibili e metodi acustici all’avanguardia.
In figura 6, è schematizzato il processo per l’impostazione di una analisi acustica del gruppo propulsore di un veicolo elettrico. In figura 7 sono invece approfonditi gli strumenti per l’interpretazione dei dati acustici rilevati.
Scenari futuri
La rapida diffusione di veicoli elettrici introduce distinte sfide NVH dovute alla mancanza di rumore tipica dei motori a combustione interna, rendendo più accentuato il rumore della trasmissione. Come analizzato, sussistono diversi fattori nella generazione del profilo NVH nei gruppi propulsori dei veicoli elettrici: dai motori elettrici, agli inverter, ai sistemi di ingranaggi.
Abbiamo sottolineato in questo articolo l’importanza di integrare tecniche di simulazione e modellazione, tra cui la dinamica multi-corpo (MBD) e il metodo degli elementi finiti (FEM). L’approccio olistico consente una analisi più approfondita e completa delle complesse interazioni e dei comportamenti dinamici all’interno dell’intero sistema di trasmissione, fornendo nuove intuizioni sulla gestione NVH. Abbiamo inoltre presentato un flusso di lavoro che mira ad essere una guida ed offrire un approccio pratico e strutturato allo sviluppo e all’analisi di modelli per la gestione NVH nei gruppi propulsori di veicoli elettrici.
Il rumore del motore elettrico deriva da forze elettromagnetiche, mentre gli inverter producono rumore ad alta frequenza a causa della modulazione di larghezza di impulso (PWM). I requisiti NVH sono ulteriormente complicati da problemi meccanici come guasti agli ingranaggi e squilibri dell’albero, che incrementano le frequenze indesiderate. Software di simulazione specifici per l’analisi elettromagnetica e per la dinamica multi-corpo aiutano a prevedere con precisione e a ridurre al minimo i problemi NVH, garantendo una progettazione potente ed efficiente delle trasmissioni dei veicoli elettrici.
In sintesi, affrontare l’NVH nei veicoli elettrici richiede di integrare tecniche di simulazione avanzate con una comprensione delle interazioni dinamiche all’interno del gruppo propulsore. Un approccio sistemico è fondamentale per rendere i veicoli elettrici più silenziosi, più confortevoli e più efficienti. In futuro, ulteriori ricerche potrebbero esplorare l’integrazione di materiali avanzati e tecniche di progettazione innovative per ridurre ulteriormente l’NVH nei gruppi propulsori dei veicoli elettrici. Inoltre, lo sviluppo di modelli di simulazione più sofisticati e in grado di catturare le interazioni tra varie fonti di NVH in tempo reale potrebbero migliorare significativamente l’accuratezza predittiva.
Le tecnologie emergenti, come l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico, offrono soluzioni promettenti per ottimizzare le strategie di gestione NVH. Tali tecnologie potrebbero essere impiegate sia per l’analisi di big data sia in fase di simulazione e test, per identificare modelli, sviluppare e ottimizzare soluzioni di gestione NVH. Inoltre, ampliando la portata della ricerca NVH, includendo l’impatto sulle prestazioni complessive del veicolo e sul comfort dei passeggeri, tenendo conto dei fattori psicoacustici, si potrebbe ottenere una comprensione più completa del panorama NVH nei veicoli elettrici.
In conclusione, nonostante siano stati compiuti progressi significativi nella comprensione e nella gestione dell’NVH nei gruppi propulsori di veicoli elettrici, la ricerca e l’innovazione continue sono essenziali per tenere il passo con i rapidi progressi nella tecnologia. La strada è quella del miglioramento continuo con l’obiettivo di garantire lo sviluppo di veicoli elettrici più silenziosi, più efficienti e più confortevoli.
