純電動汽車常見噪聲振動問題現(xiàn)象描述及優(yōu)化方法

朱建　鄭濤　呂運川　劉超

摘 要：測試分析能快速識別純電動車噪聲振動問題特性，并得以工程優(yōu)化驗證，從而提高整車NVH舒適性。文章以某純電動汽車為例，講述了多種常見NVH問題的測試分析及優(yōu)化控制，問題包含整車坡道蠕行轟鳴、整車起步抖動、減速能量回收電機嘯叫、全油門加速工況減速器嘯叫、真空泵噪聲、空調(diào)壓縮機噪聲、電子冷卻水泵噪聲、空調(diào)水泵噪聲、以及懸置隔振和共振帶等，旨為純電動汽車NVH性能開發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。關(guān)鍵詞：純電動汽車;噪聲振動;測試分析;優(yōu)化控制;嘯叫中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）01-214-07

Abstract： Testing analysis can quickly identify the noise and vibration problem characteristics of electric vehicle， then can be verified by engineering optimization， so as to improve the vehicle NVH performance. This article takes a pure electric vehicle as an example， and describes the testing analysis and optimization of a variety of common NVH problems， including ramp creeping noise， starting vibration， deceleration energy recovery motor noise， wild open throttle acceleration condition decelerator noise， vacuum pump noise， air conditioning compressor noise， electronic cooling water pump noise， air conditioning water pump noise， as well as EPT mount isolation rate and resonance band. It provides reference for NVH performance development and optimization of electric vehicle.Keywords： Electric vehicle; Noise and vibration; Testing analysis; Optimization control; WhineCLC NO.： U469.7? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-214-07

前言

隨著世界環(huán)境問題嚴(yán)峻化、國內(nèi)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格化，純電動汽車作為一種使用電能作為驅(qū)動能源的現(xiàn)代交通工具，將作為全球汽車工業(yè)當(dāng)前和未來發(fā)展的重點。隨著電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，噪聲振動性能越來越備受關(guān)注，相比于普通燃油車，客戶對純電動汽車噪聲振動性能有了更高的期望與要求，成為影響電動汽車品牌的一項重要指標(biāo)。本文以某純電動汽車為例，該純電動車搭載的電驅(qū)動系統(tǒng)包含永磁同步電機[3]、固定速比減速器以及三合一控制器。整車布置方式為前置前驅(qū)，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子為V型8磁極，定子為48槽單層繞組結(jié)構(gòu);減速器為單速比7.82，一級減速齒輪副齒數(shù)比Z1/Z2=27/52，主減齒輪副齒數(shù)比Z3/Z4=17/69。本文講述了該電動車開發(fā)過程中出現(xiàn)的各類NVH問題及優(yōu)化，包含整車坡道蠕行轟鳴及抖動、整車起步抖動、減速能量回收電機階次嘯叫、全油門加速減速器階次嘯叫、真空泵噪聲、空調(diào)壓縮機噪聲、電子冷卻水泵噪聲、空調(diào)輔熱水泵噪聲、懸置隔振和輪胎空腔共振帶等，旨在為純電動汽車NVH性能開發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。

1 電動車NVH問題測試分析與優(yōu)化

1.1 坡道蠕行轟鳴及抖動

整車在坡道蠕行工況，保持電機轉(zhuǎn)速約為300rpm（轉(zhuǎn)每分鐘），主觀評價車內(nèi)有持續(xù)低頻轟鳴聲并伴隨整車抖動現(xiàn)象。測試車內(nèi)噪聲隨時間彩圖如圖1優(yōu)化前所示，在3-4.7s間為坡道蠕行工況，車內(nèi)噪聲在120Hz左右呈連續(xù)的紅色轟鳴帶。此問題原因為整車在坡道低速蠕行時，電機轉(zhuǎn)速低且扭矩波動[1-2]較大，從而造成較大的電機24階激勵，通過后懸置傳遞至車內(nèi)，引起車內(nèi)120Hz轟鳴聲及整車抖動，振動噪聲傳遞路徑如圖1所示。

優(yōu)化電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)子V型磁鋼夾角），從而改變電機轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)、轉(zhuǎn)子磁場分布、勵磁磁勢分布曲線形狀、空氣氣隙均勻程度以及磁路飽和程度等，從而達(dá)到優(yōu)化降低電機扭矩波動、脈動占比及諧波失真率THD。電機仿真結(jié)果如表1所示。

經(jīng)整車對比驗證，優(yōu)化轉(zhuǎn)子沖片磁鋼夾角后，整車坡道起步及坡道蠕行工況車內(nèi)120Hz轟鳴聲明顯改善，結(jié)果如圖2優(yōu)化后。

1.2 整車起步抖動

整車由靜止?fàn)顟B(tài)起步行駛，主觀評價整車有明顯間歇性抖動現(xiàn)象。通過對整車CAN信號的讀取與分析，電機轉(zhuǎn)速曲線在0-500rpm間有較大轉(zhuǎn)速波動（如圖3優(yōu)化前，紅色曲線）。電機轉(zhuǎn)速波動產(chǎn)生激勵力通過懸置傳遞到車身，引起整車起步抖動問題。對該電機低轉(zhuǎn)速0-500rpm區(qū)間增加扭矩補償控制策略：

（1）電機低速扭矩補償系數(shù)（2.5）;

（2）電機轉(zhuǎn)速控制濾波補償系數(shù)（10）。

經(jīng)整車對比驗證，電機增加低轉(zhuǎn)速扭矩補償后（見圖2優(yōu)化后，黃色曲線），整車起步電機低轉(zhuǎn)速波動明顯降低（見圖2優(yōu)化后，紅色曲線），主觀評價整車起步抖動亦明顯改善。

1.3 減速能量回收電機階次嘯叫

整車在開啟減速能量回收工況，電機轉(zhuǎn)速由3500rpm降到1300rpm期間，主觀評價車內(nèi)有明顯高頻嘯叫聲，關(guān)閉能量回收功能則嘯叫聲消除，故該嘯叫聲與能量回收時電機反拖發(fā)電相關(guān)。

通過測試彩圖分析，減速能量回收工況車內(nèi)噪聲24階、48階明顯較大（見圖4）。該樣車電機轉(zhuǎn)子為8磁極，定子為48槽單層繞組結(jié)構(gòu)，通過聲音濾波回放及階次相關(guān)性分析，確診該嘯叫聲主要由電機減速能量回收反向磁勵產(chǎn)生。

優(yōu)化電機定子繞組形式為雙繞組（見圖5）。雙繞組電機能改善電機感應(yīng)電動勢和磁動勢的波形。在能量回收過程中能有效的減小電機扭矩波動，減小基頻及其他諧頻階次振動噪聲。

經(jīng)整車對比驗證，定子雙繞組電機能有效降低在減速能量回收工況因電機反向磁勵引起的車內(nèi)中高頻階次嘯叫聲。優(yōu)化對比結(jié)果見圖6-7。

1.4 加速工況減速器嘯叫

整車在全油門加速工況（0-3000rpm），主觀評價車內(nèi)有嚴(yán)重的嘯叫高頻聲。通過測試彩圖分析與濾波回放，車內(nèi)嘯叫聲階次主要為8.83階、17.66階、35.3階、27階、54階。該樣車減速器為單速比7.82，一級減速齒輪副齒數(shù)比Z1/Z2=27/52，主減齒輪副齒數(shù)比Z3/Z4=17/69，故其一階減速齒輪階次基頻為27階，二階諧頻為54階;主減齒輪副基頻階次為8.83階、二階諧頻為17.66階、四階諧頻為35.3階，加速嘯叫階次與減速器齒輪階次基頻及諧頻對應(yīng)。整車全油門加速時，電機扭矩峰值輸出，減速器齒輪受載荷力大，齒輪偏載嚙合不平穩(wěn)，引起減速器傳遞誤差大，從而產(chǎn)生明顯的加速嘯叫噪聲。

減速器嘯叫聲[4-7]原因主要為：

（1）齒輪受力不均偏載或突變;

（2）齒輪嚙合進(jìn)入與退出沖擊;

（3）齒面相對滑動及摩擦力變化;

（4）齒輪剛性變化和彈性變形導(dǎo)致載荷變化;

（5）齒輪誤差造成運轉(zhuǎn)不均。

對該樣車減速器進(jìn)行臺架斑點試驗，結(jié)果顯示主減齒輪副及一級減速齒輪副均存在一定程度偏載現(xiàn)象，如圖9所示。

根據(jù)齒輪臺架斑點試驗結(jié)果進(jìn)行齒輪微觀修形：

（1）一級減速主動齒輪齒頂修緣6-20μm;輸入主動齒輪螺旋角修形由12±5μm到17±5μm;正驅(qū)面螺旋角修形-15～-5μm;

（2）主減齒輪副齒寬+2mm，螺旋角修形-15～-5μm;

（3）主減齒輪副主動齒輪齒廓齒向修形10-20μm;

主動齒輪齒廓修形-5～0μm;

（4）輸入軸向間隙0～0.39mm優(yōu)化為0～0.1mm。

優(yōu)化后仿真齒輪傳遞誤差降低（見表2），齒輪臺架斑點驗證無明顯偏載現(xiàn)象，如圖10所示。

經(jīng)整車測試驗證，減速器齒輪微觀修形優(yōu)化后，加速車內(nèi)減速器階次嘯叫聲有所改善，結(jié)果如圖11優(yōu)化后。

1.5 真空泵噪聲

真空泵的作用是給制動助力系統(tǒng)提供真空。區(qū)別于傳動燃油車，純電動車因缺少發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)支管提供的真空，故必須配置一個獨立工作電動真空泵。該電動車真空泵為旋葉式結(jié)構(gòu)[8]，葉片數(shù)5片，布置于左前機艙縱梁內(nèi)側(cè)，采用一級隔振設(shè)計，隔振橡膠邵氏硬度為60HA，隔振效果較差。當(dāng)連續(xù)踩制動踏板時，真空泵持續(xù)運行5-7秒，工作轉(zhuǎn)速約為4400rpm，主觀評價車內(nèi)噪聲真空泵大較大。通過測試分析車內(nèi)真空泵噪聲主要貢獻(xiàn)頻率為葉頻367Hz及其諧頻（見圖13紅色曲線）。

對真空泵支架進(jìn)行隔振優(yōu)化，如圖12所示：

（1）降低真空泵橡膠軟墊硬度為45HA;

（2）真空泵一級隔振優(yōu)化為二級隔振。

經(jīng)整車測試驗證，車內(nèi)真空泵噪聲單體運行噪聲總聲壓級由原35.4dB（A）降低為29.6dB（A），滿足目標(biāo)總聲壓級≤33dB（A），葉頻噪聲均≤25dB（A），顯改善，結(jié)果對比見圖13。

真空泵布置應(yīng)首選布置于動力總成上，經(jīng)真空泵軟墊和懸置雙重隔振;其次布置于車身有較強動剛度的骨架梁上，盡量遠(yuǎn)離駕駛艙，且有足夠的隔振設(shè)計。

1.6 空調(diào)壓縮機噪聲

空調(diào)壓縮機是給空調(diào)系統(tǒng)冷媒循環(huán)提供驅(qū)動力的裝置。當(dāng)車內(nèi)空調(diào)開啟時，空調(diào)壓縮機壓縮氣態(tài)冷媒為高溫液態(tài)，經(jīng)冷凝器冷卻后通過膨脹閥氣化吸熱，降低蒸發(fā)器溫度，在鼓風(fēng)機作用下為車內(nèi)提供冷風(fēng)。該樣車空調(diào)壓縮機為渦旋式電動壓縮機[3-4]，布置于驅(qū)動電機外側(cè)端蓋經(jīng)懸置隔振。整車定置開啟空調(diào)工況，空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速恒定為2500rpm，工作轉(zhuǎn)速較高且振動激勵較大，引起車內(nèi)噪聲大及方向盤振動大。經(jīng)測試主要貢獻(xiàn)階次為壓縮機基頻41.8Hz。（見表4和圖16優(yōu)化前）。

整車定置車內(nèi)空調(diào)壓縮機噪聲振動優(yōu)化方向：

（1）優(yōu)化控制面板，降低空調(diào)壓縮運行轉(zhuǎn)速;

（2）優(yōu)化降低空調(diào)壓縮機單體運行振動噪聲;

空調(diào)壓縮機控制面板優(yōu)化[9]。

對整車空調(diào)壓縮機進(jìn)行1000-3000rpm轉(zhuǎn)速掃頻測試分析，結(jié)果見圖13-14?？照{(diào)壓縮機在2100rpm時與低速檔冷卻風(fēng)扇2100rpm偶合，在2000rpm時與方向盤橫向和垂向模態(tài)分別為32.6Hz和33.5Hz偶合產(chǎn)生共振拍頻。故優(yōu)化空調(diào)面板控制策略，壓縮機轉(zhuǎn)速根據(jù)車內(nèi)溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)1500-2000rpm，車內(nèi)溫度穩(wěn)定后工作轉(zhuǎn)速約1800rpm，避開了方向盤模態(tài)和冷卻風(fēng)扇基頻。

空調(diào)壓縮機本體優(yōu)化：

對空調(diào)壓縮機單體進(jìn)行2500rpm定轉(zhuǎn)速臺架測試分析，其近場噪聲及殼體振動相對較大，故而在空調(diào)壓縮機結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化[10]：

（1）高壓流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化;

（2）電機轉(zhuǎn)子動平衡優(yōu)化;

（3）電機PWM電流正弦波形優(yōu)化。

空調(diào)壓縮機優(yōu)化后進(jìn)行臺架測試驗證，空調(diào)壓縮機殼體振動及近場噪聲有明顯改善，結(jié)果對比見表3。

經(jīng)整車測試驗證，同時優(yōu)化空調(diào)壓縮機及控制面板后，整車定置開空調(diào)工況，車內(nèi)噪聲及方向盤振動明顯改善，結(jié)果見表4及圖15優(yōu)化后。

空調(diào)壓縮機應(yīng)布置于動總上經(jīng)懸置隔振，壓縮機管路與車身接附點應(yīng)有隔振設(shè)計，壓縮機高壓出管與低壓進(jìn)管應(yīng)設(shè)計足夠長度軟管以利于振動解耦衰減;空調(diào)壓縮機支架應(yīng)避免懸臂結(jié)構(gòu)，盡量提升支架模態(tài)頻率;在滿足冷卻要求前提下，盡量降低壓縮機工作轉(zhuǎn)速，且要與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和方向盤固有頻率避頻。

1.7 電子冷卻水泵噪聲

電子冷卻水泵作用是驅(qū)動水循環(huán)系統(tǒng)為電機及控制器提供冷卻，當(dāng)整車在進(jìn)入動力輸出工況時（即D擋/R擋），電子冷卻水泵開啟運行。該樣車電子冷卻水泵布置于動總減速器上，經(jīng)水泵U型橡膠支架及懸置二級隔振，但水管管夾直接固定于車身前橫梁，且管路過盈卡接于前端框架。整車在定置狀態(tài)P擋/N擋切換到D擋/R擋時，車內(nèi)背景噪聲極低，主觀評價電子冷卻水泵啟動噪聲相對明顯，易被客戶感知。經(jīng)測試分析，電子冷卻水泵噪聲主要貢獻(xiàn)頻率為基頻78Hz、諧頻310Hz、387Hz、464Hz、542Hz，見圖17紅色曲線，通過管路由前端框架和車身前橫梁管夾傳遞到車內(nèi)。

對水管管路隔振進(jìn)行優(yōu)化，如圖17所示：

（1）管夾1優(yōu)化為隔振管夾;

（2）前端框架與水管之間卡接增加隔振墊。

經(jīng)整車測試驗證，優(yōu)化后車內(nèi)電子冷卻水泵單體運行諧頻噪聲大幅降低，總聲壓級由原狀態(tài)29.1 dB（A）降低到25.0 dB（A），改善明顯，見圖18。

電子冷卻水泵首選應(yīng)布置于動力總成上經(jīng)懸置隔振，其次布置于車身骨架梁上，但須有足夠隔振設(shè)計，管路應(yīng)盡量避免連接在車身結(jié)構(gòu)上，管夾應(yīng)有隔振設(shè)計。

1.8 空調(diào)輔熱水泵噪聲

空調(diào)輔熱水泵作用是為空調(diào)輔熱系統(tǒng)水循環(huán)提供動力。當(dāng)車內(nèi)暖風(fēng)輔熱開啟時，PTC加熱提升水溫，空調(diào)輔熱水泵運行驅(qū)動水路循環(huán)，通過蒸發(fā)器給車內(nèi)供暖。該樣車空調(diào)輔熱系統(tǒng)采用單水泵驅(qū)動，水泵單體噪聲振動較大，且布置于前端框架右側(cè)梁上，隔振設(shè)計不足。主觀評價整車定置開啟暖風(fēng)輔熱工況車內(nèi)噪聲大。經(jīng)測試分析，車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)階次為電子冷卻水泵基頻及諧頻，見圖20紅色曲線。

對空調(diào)輔熱水泵結(jié)構(gòu)及隔振優(yōu)化，見圖19：

（1）降低泵體振動及輻射噪聲;

（2）優(yōu)化水泵與車身的隔振。

經(jīng)整車測試驗證，優(yōu)化水泵及隔振支架對車內(nèi)因水泵激勵引起的噪聲有明顯改善。車內(nèi)噪聲輔熱水泵基頻和諧頻大幅降低，總聲壓級由原狀態(tài)50.7 dB（A）降低到38.5 dB（A），明顯改善，見圖20。

空調(diào)輔熱水泵同電子冷卻水泵首選應(yīng)布置于動力總成上經(jīng)懸置隔振，其次布置于車身動剛度較大骨架梁上，但須有足夠隔振設(shè)計，另外選擇激勵較小的水泵能有效提升其NVH性能。

1.9 懸置隔振

懸置是用于支撐電動汽車動力總成件（EPT）并起到減少和控制動總激勵傳遞的作用。懸置剛度大小將直接影響懸置隔振效果，從而影響車內(nèi)噪聲振動。該樣車懸置系統(tǒng)為左、右、后三點式布置，且主方向設(shè)計剛度較高隔振不足，電機、減速器、空調(diào)壓縮機等激勵通過懸置傳遞到車身。該樣車主觀評價加速工況車內(nèi)噪聲振動大。經(jīng)測試分析，加速車內(nèi)噪聲8.83階、17.66階、26.5階等階次能量較大，見圖21優(yōu)化前。結(jié)合階次分析，減速器階次激勵通過懸置傳遞車身，因懸置剛度大隔振不足，引起加速車內(nèi)噪聲振動大。

在保證疲勞耐久及可靠性前提下，適當(dāng)優(yōu)化降低懸置主方向剛度以提升隔振性能，從而達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的，懸置剛度優(yōu)化見表5。

經(jīng)整車測試驗證，優(yōu)化降低懸置橡膠剛度后，加速工況車內(nèi)減速器階次噪聲8.83階、17.66階、26.5階均有較為一定程度降低改善，見圖21。

電動汽車加速電機扭矩較大，過低的后懸置剛度在急加速/急減速工況，易造成后懸置主簧壓死甚至撞擊產(chǎn)生抖動或異響問題;懸置支架應(yīng)設(shè)計有足夠高模態(tài)以降低共振風(fēng)險;懸置襯套設(shè)計更大尺寸以獲得更小的動靜比;懸置車身安裝點動剛度應(yīng)足夠高。

1.10 輪胎空腔模態(tài)共振

通過測試分析，在加速工況車內(nèi)噪聲210Hz存在明顯共振帶，經(jīng)相關(guān)性分析為輪胎空腔模態(tài)共振[11]，再經(jīng)底盤懸架傳遞車身引起車內(nèi)共振帶噪聲，見圖23優(yōu)化前。

在輪胎內(nèi)壁一圈粘貼吸音棉填充輪胎空腔，可改變輪胎空腔模態(tài)，如圖22所示。

經(jīng)整車測試驗證，輪胎填充吸音棉對加速車內(nèi)210Hz共振帶有明顯改善，結(jié)果見圖23。

2 結(jié)束語

本文概述了純電動汽車常見的一些NVH問題，包含坡道蠕行轟鳴、起步抖動、減速能量回收電機嘯叫、加速工況減速器嘯叫、真空泵噪聲、空調(diào)壓縮機噪聲、電子冷卻水泵噪聲、輔熱水泵噪聲、以及懸置隔振和輪胎空腔共振帶等。通過測試分析，描述了各個問題的噪聲振動頻譜特征，以及相關(guān)優(yōu)化控制策略，旨為純電動汽車NVH性能開發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。

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