低速電動汽車NVH性能測試與分析

徐 興，左燕群

（1.江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

低速電動汽車NVH性能測試與分析

徐 興1，左燕群2

（1.江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

在整車開發(fā)環(huán)節(jié)中，需要保證車輛具有良好的NVH性能。針對某電動汽車樣車的振動噪聲問題，對車內(nèi)噪聲水平及電機(jī)、減速器、差速器等聲振特性進(jìn)行測試;采用階次跟蹤分析法識別出車內(nèi)主要的振動噪聲源;提出了相應(yīng)的減振降噪措施。

電動汽車;NVH;階次跟蹤分析

由于振動和噪聲來自多方面［1］，如路面激勵和電機(jī)噪聲，及隔振傳遞路徑和空氣傳播至駕駛室的噪聲等，因此，整車NVH性能受很多因素影響。解決整車NVH性能問題的一個很重要的環(huán)節(jié)是對整車進(jìn)行摸底測試，通過一系列測試分析方法可以得出初步診斷結(jié)果。該環(huán)節(jié)值得高度重視，它可為提高工作效率和工作質(zhì)量提供指導(dǎo)性意見。

筆者從解決樣車實(shí)際問題出發(fā)，對整車NVH性能進(jìn)行摸底測試，在此基礎(chǔ)上分析動力總成懸置系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的影響，從而為實(shí)施隔振降噪指明方向。

1 車內(nèi)噪聲評價試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

1）布置測點(diǎn)位置。車內(nèi)噪聲測點(diǎn)布置在人耳附近，話筒朝車輛前進(jìn)方向。駕駛室車內(nèi)噪聲測點(diǎn)布置在座椅平面上0.75 m，距中間平面0.2m，兩個測點(diǎn)分別位于駕駛員右側(cè)及副駕駛員的左側(cè)。

2）試驗(yàn)工況。勻速行駛工況15，35，50 km/h。

3）測量聲級。A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，1/3倍頻程。

4）試驗(yàn)儀器。BSWA VS302USB雙聲道聲學(xué)振動分析儀;丹麥B＆K麥克風(fēng);非接觸測速儀;NI信號采集器。

1.2 聲壓級評價

表1為勻速行駛車內(nèi)噪聲水平對比試驗(yàn)值。

表1 勻速行駛車內(nèi)噪聲對比Table 1 Comparison of noises in the vehicle at constant speed

由表1可以看出:

1）隨著車速提高，駕駛員和副駕駛員耳旁噪聲都逐漸增大。

2）對于純電動汽車，驅(qū)動電機(jī)是主要的噪聲振動源，車內(nèi)噪聲一部分是電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的空氣噪聲，還有一部分是電機(jī)、路面等激勵車體振動然后輻射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。前者與車體密封和隔聲性能相關(guān)，特別是車體前部的前圍板等處，后者關(guān)系到整個動力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整個車身的固有振動特性。

對采集的勻速行駛車內(nèi)噪聲進(jìn)行1/3倍頻程譜分析，見圖1。從圖1可看出，車內(nèi)測點(diǎn)噪聲的高聲級噪聲成分主要在60～800 Hz附近中低頻段。另外，隨著車速的提高，這兩個主要頻的噪聲幅值也明顯增大，最大可達(dá)73dB。

圖1 勻速行駛車內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜圖Fig.1 Interior noise one-third octave spectrum at constant speed

2 2階次聲振試驗(yàn)

采用階次跟蹤方法，對車內(nèi)噪聲和振動進(jìn)行測試，測試在升速階段的噪聲信號及車身、動力總成系統(tǒng)的振動加速度信號，得到整個車速增加過程中的振動噪聲三維等高線階次譜圖，從而分析確定引起車內(nèi)問題噪聲的主要噪聲源。

2.1 階次跟蹤分析理論

目前階次跟蹤技術(shù)被廣泛用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷［2］，尤其對于升降速階段的振動噪聲信號。由于采樣頻率隨轉(zhuǎn)速升高而提高，可以消除頻率“模糊現(xiàn)象”［3］，保證振動噪聲測量的準(zhǔn)確性。要實(shí)現(xiàn)階次分析可以有多種方法，最常見的是重采樣階次分析和Gabor階次分析。筆者采用的是重采樣階次分析的方法。該方法是通過采集系統(tǒng)振動信號和轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號對振動信號進(jìn)行重采樣，使等時間序列振動信號轉(zhuǎn)化為等角度序列振動信號，對重采樣后的信號進(jìn)行功率譜計(jì)算，將信號分析尺度由頻率-幅值改變?yōu)殡A次-幅值［4］。在數(shù)據(jù)采集方面，傳統(tǒng)階次分析只需要獲得振動信號即可，而基于重采樣的階次分析需要準(zhǔn)確及同步地獲得振動及轉(zhuǎn)速信號。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所需儀器包括轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺、LMS數(shù)據(jù)采集器、ICP振動加速度傳感器、ICP麥克風(fēng)、手持式加速度傳感器校準(zhǔn)儀、MM0024轉(zhuǎn)速光電式傳感器等。該試驗(yàn)使用 LMS Test.lab 8B-Signature Acquisition/Data Post Processing軟件系統(tǒng)，用于階次跟蹤（Order Tracking）。系統(tǒng)測試框圖如圖2。

圖2 測試框圖Fig.2 Measure process

在動力總成系統(tǒng)及車身處布置11個測點(diǎn)，分別放置了3個三向加速度傳感器及8個單向加速度傳感器;噪聲測點(diǎn)布置如文中所述。此外，在距離車輪50mm處布置一個測點(diǎn)，放置轉(zhuǎn)速光電傳感器。傳感器布置測點(diǎn)及其對應(yīng)的信號通道如表2。試驗(yàn)工況為樣車緩慢勻加速到50 km/h，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速超過20 r/min開始記錄數(shù)據(jù)。

表2 傳感器布置分布Table 2 Sensor layout

2.3 車內(nèi)噪聲源識別

試驗(yàn)得到的車內(nèi)噪聲階次三維譜如圖3。

圖3 車內(nèi)噪聲階次三維譜圖Fig.3 3-D order spectrum of interior noise

從圖3中可以看出，車內(nèi)噪聲主要為中低頻，主要在800 Hz以內(nèi)，與前面噪聲評價試驗(yàn)結(jié)果分析一致。車內(nèi)噪聲分布分為兩部分:

第1部分為0～50 Hz低頻范圍內(nèi)與車輪轉(zhuǎn)速無階次對應(yīng)關(guān)系。隨著車輪轉(zhuǎn)速提高而增強(qiáng)，說明該部分噪聲主要由于路面不平度通過懸架系統(tǒng)激振車身結(jié)構(gòu)引起的，路面不平度激勵一般在20 Hz以下。目前在高速公路和一般城市較好的路面上，此激勵多集中在1～3 Hz。

第2部分為200～800 Hz中低頻范圍內(nèi)與車輪轉(zhuǎn)速呈明顯的階次關(guān)系，如6.33階、8階、77階噪聲出現(xiàn)較大峰值，另外在38階和150階也對噪聲有一定影響。低頻部分主要由路面不平度、輪胎、半軸的不平衡質(zhì)量等組成，中低頻部分主要由齒輪的嚙合、電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量、輪轂軸承的旋轉(zhuǎn)沖擊和電機(jī)單邊磁拉力振動等組成。

計(jì)算出城市工況常用車速下零部件對應(yīng)的階次如表3。由表3可以發(fā)現(xiàn)，輪胎沖擊不平衡質(zhì)量工作頻率1階、半軸不平衡質(zhì)量工作頻率1階對50 Hz以下的低頻噪聲影響較大;樣車車內(nèi)噪聲峰值主要分布在60～800 Hz中低頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量工作頻率6.33階、差速器從動齒輪安裝螺釘工作頻率8階、電機(jī)單邊磁拉力振動頻率76階、減速器第2級齒輪嚙合頻率77階、減速器第1級齒輪嚙合頻率148階對車內(nèi)噪聲影響較大。因此，樣車車內(nèi)噪聲源主要為包括電機(jī)、差速器、減速器在內(nèi)的動力總成。為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，對電機(jī)、差速器、減速器振動階次頻譜進(jìn)行分析，見圖4～圖6。

表3 驅(qū)動系和傳動系主要噪聲源對應(yīng)階次Table 3 Accordant order of main noise source

圖4 電機(jī)X，Y，Z向振動階次頻譜Fig.4 Order spectrum of motor vibration at the direction of X，Y，Z

圖5 差速器X，Y，Z向振動階次頻譜Fig.5 Order spectrum of differential vibration at the direction of X，Y，Z

圖6 減速器X，Y，Z向振動階次頻譜Fig.6 Order spectrum of reducer vibration at the direction of X，Y，Z

由圖4～圖6看出，電機(jī)、差速器、減速器的主要振動均在77階及其倍頻處，與理論計(jì)算值一致，表明車內(nèi)77階噪聲是由動力總成振動激起的。而且還存在差速器和減速器高頻結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，這將導(dǎo)致高頻噪聲。

3 動力總成對車內(nèi)噪聲的影響分析

動力總成可通過兩種途徑影響車內(nèi)噪聲（圖7）:

1）空氣噪聲。動力總成工作噪聲通過車身孔隙或透過車身壁板傳遞到車內(nèi)，車內(nèi)空氣傳播噪聲的主要頻率范圍一般是從幾百Hz到幾千Hz甚至更高。

2）結(jié)構(gòu)噪聲。動力總成工作振動通過中間構(gòu)件或直接傳遞到車身，引起車身壁板振動，并通過結(jié)構(gòu)輻射噪聲到車內(nèi)，產(chǎn)生車內(nèi)噪聲［5-6］。當(dāng)堵住前圍板孔隙后測量車內(nèi)噪聲，發(fā)現(xiàn)噪聲值并無太大變化;當(dāng)在車身壁板附阻尼材料后測量車內(nèi)噪聲，發(fā)現(xiàn)噪聲值明顯降低。因此可判定動力總成是通過第2種途徑傳入車內(nèi)并輻射噪聲。

圖7 動力總成對車內(nèi)噪聲的影響途徑Fig.7 The way of power train influencing vehicle interior noise

樣車的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑為動力總成（電機(jī)、差速器、減速器）→橡膠懸置→車身板件（頂棚、后車廂地板、外側(cè)圍、A柱、B柱、前地板、車門）→車內(nèi)噪聲。

4 減振降噪措施

減振降噪主要通過消除或減弱聲源激勵及控制噪聲傳遞路徑兩種途徑，使噪聲在傳遞到車內(nèi)的過程中受到阻斷或削弱［7］。根據(jù)以上試驗(yàn)分析以及樣車自身客觀條件的限制，提出以下降噪措施:

1）電機(jī)是主要的振動源，引起電機(jī)振動的因素較多，對于電機(jī)本身的機(jī)械不平衡，可采用加平衡塊的方法解決，對于中心不正可進(jìn)行測量調(diào)整與機(jī)械的配合來實(shí)現(xiàn)。對于軸承引起的振動，可對軸承間隙進(jìn)行測量，避免使用不合格的軸承。軸承與軸承套的配合也要符合要求，否則會引起軸承的晃動，增加電機(jī)振動的機(jī)率［8］。

2）在振動傳遞的過程中，可改進(jìn)電機(jī)懸置設(shè)計(jì)，提高懸置隔振性能，減小結(jié)構(gòu)振動噪聲傳遞。

5 結(jié)語

針對某樣車內(nèi)噪聲較大的問題，深入地進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，識別出影響車內(nèi)噪聲的主要振動噪聲源。該車中低頻車內(nèi)噪聲主要是由動力總成振動通過橡膠懸置傳遞到車身而輻射出的結(jié)構(gòu)噪聲。并針對樣車的實(shí)際問題提出減振降噪措施，為樣車進(jìn)一步的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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NVH Performance Measurement and Analysis on Low-Speed Electric Vehicle

Xu Xing1，Zuo Yanqun2
（1.Research Institute of Automotive Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China;2.SAIC Motor Technical Center，Shanghai 201804，China）

Good NVH performance should be guaranteed in vehicle’s development process.In order to solve the noise problem of certain vehicle prototype，the interior noise level，the vibration and acoustic characteristics of the motor，as well as reducer and differential was detected and analyzed.The main noise source in the car was identified by the use of the order tracking analysis technique.Basing on these results，the noise-reducing measurement was given accordingly.

electric vehicle（EV）;noise vibration and harshness（NVH）;order tracking analysis

U469.72

A

1674-0696（2013）02-0347-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.38

2012-02-27;

2012-06-10

國家“863”重大項(xiàng)目（2011AA11A216）;青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51105177）;高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20113227120015）;江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動基金項(xiàng)目（11JDG047）

徐 興（1979—），男，江蘇海安人，講師，博士，主要從事車輛動力學(xué)及其控制方面的研究。E-mail:xuxing@ujs.edu.cn。