某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)24階振動(dòng)噪聲的分析與優(yōu)化

馬 敬，黃 偉，楊 凡，和進(jìn)軍

（湖南獵豹汽車股份有限公司長(zhǎng)沙汽車研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

近年來(lái)客戶越來(lái)越關(guān)注整車NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度），整車NVH已經(jīng)是衡量汽車品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、固定速比的減速器及差速器組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH從傳統(tǒng)燃油汽車的低頻噪聲轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪以及花鍵耦合的機(jī)械噪聲，趨向于更高的頻率，這些高頻噪聲尤其是在低速階段風(fēng)噪、路噪、胎噪很小的情況下，讓人聽(tīng)起來(lái)更加煩躁不安。本文分析了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲來(lái)源、傳遞路徑及優(yōu)化路徑，并以某純電動(dòng)汽車蠕行起步階段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)24階噪聲為研究對(duì)象，提出了優(yōu)化扭矩控制策略方案，有效減弱了蠕行起步階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)24階振動(dòng)噪聲。

1 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲來(lái)源與優(yōu)化路徑

動(dòng)力輸出裝置的電動(dòng)化使得整車內(nèi)外的噪聲趨于減小。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有大量的研究表明電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電磁噪聲是車內(nèi)外主要的噪聲來(lái)源。文獻(xiàn)［1］定性分析了低次徑向力波是引起電磁振動(dòng)和噪聲的主要來(lái)源。文獻(xiàn)［2］從極槽配合與永磁體削角的角度計(jì)算分析了更改電機(jī)參數(shù)對(duì)電機(jī)電磁噪聲的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［3］從優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子沖片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提升槽滿率角度并整車驗(yàn)證改善了電機(jī)本體的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)［4］從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的生產(chǎn)工藝方面入手探討了降低電機(jī)振動(dòng)噪聲的措施。文獻(xiàn)［5］對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的振動(dòng)噪聲的特性進(jìn)行了研究，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置在系統(tǒng)中同減速器、懸置、傳動(dòng)軸等作為一個(gè)整體研究及解決振動(dòng)噪聲問(wèn)題，單單只分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器已不再合理。文獻(xiàn)［6］基于振動(dòng)噪聲傳遞路徑分析，使用對(duì)電機(jī)及減速器進(jìn)行聲學(xué)包裹的方法實(shí)際驗(yàn)證對(duì)改善車內(nèi)高頻嘯叫有明顯效果。文獻(xiàn)［7］利用解析法和有限元法對(duì)變頻器供電時(shí)永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、電磁激振力和噪聲的主要頻率進(jìn)行分析得出：永磁電機(jī)在變頻器供電時(shí)定子的高次時(shí)間諧波電流在氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生頻率與變頻器開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的空間氣隙磁場(chǎng)諧波，其振動(dòng)噪聲頻率主要分布在開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)附近。

1.1 來(lái)源

當(dāng)前純電動(dòng)汽車越來(lái)越多地采用水冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，取消散熱風(fēng)扇，也就沒(méi)有了由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣流動(dòng)、撞擊、摩擦而產(chǎn)生的空氣噪聲，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為聲源，電磁噪聲是由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性、氣隙磁場(chǎng)、電磁力波、電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)電流的急速增大或減小等因素造成的。另外驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁噪聲也受電機(jī)控制器的控制策略、IGBT的開(kāi)關(guān)頻率的影響。②傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械噪聲，傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械噪聲的主要來(lái)源是齒輪嚙合噪聲、花鍵嚙合噪聲、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸承噪聲、裝配偏心產(chǎn)生的噪聲等。③扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和噪聲，經(jīng)常發(fā)生在車輛加速或減速的過(guò)程中某一速度段車輛有抖動(dòng)噪聲，典型的表現(xiàn)為加速共振特性，這是由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝配在整車上時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與懸置、傳動(dòng)軸等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零部件組合為一體形成新的模態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩激勵(lì)頻率是隨速度變化的，當(dāng)同動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，產(chǎn)生共振，強(qiáng)化了局部的振動(dòng)噪聲。

1.2 傳遞路徑

驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲的傳播路徑一般分為兩類，如圖1所示，一類是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體機(jī)殼、端蓋傳導(dǎo)出來(lái)的振動(dòng)噪聲通過(guò)懸置系統(tǒng)傳遞到車身及車內(nèi)，另一類是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系傳遞到傳動(dòng)軸、懸架系統(tǒng)、車身及車內(nèi)。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲傳播路徑

1.3 優(yōu)化途徑

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)化一般從以下幾個(gè)方面入手：①降低激勵(lì)源，中低速時(shí)風(fēng)噪和路噪比較小，車內(nèi)外噪聲主要來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲應(yīng)從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始控制。選擇合適的繞組形式，采用雙層繞組可以減弱低次諧波的影響、減少磁勢(shì)中諧波成分，合理選擇定轉(zhuǎn)子齒槽配合，合理選擇氣隙值使氣隙均勻，采用斜槽或者斜極，采用滑動(dòng)軸承并保持良好的潤(rùn)滑等。②控制策略，優(yōu)化控制策略是無(wú)需修改驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車身其他部件結(jié)構(gòu)、緩解驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲的最方便快捷的方式。一般從優(yōu)化IGBT開(kāi)關(guān)頻率、重新標(biāo)定電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)、優(yōu)化油門踏板開(kāi)度、優(yōu)化扭矩階躍的強(qiáng)度等途徑緩解驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)和噪聲。③傳播路徑，電動(dòng)汽車線束數(shù)量多，分布廣，需要較大的空間布線及較大的孔洞走線，對(duì)隔音形成較大難度。隔絕噪聲傳播路徑的方法有密封、隔聲和隔振，主要是做好車身鋼板的細(xì)縫、孔洞的密封，并使用高效阻尼材料隔絕聲音和振動(dòng)的傳播。④聲學(xué)包，聲學(xué)包技術(shù)也是基于局部噪聲源頭在傳播路徑上進(jìn)行優(yōu)化的一種降噪措施，主要適用于高頻 （＞500Hz）噪聲的優(yōu)化控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身是一個(gè)發(fā)熱體，選用的聲學(xué)包裹材料應(yīng)綜合吸聲、隔振及散熱性能。

2 某純電動(dòng)車蠕行模式振動(dòng)噪聲測(cè)試分析

車輛的蠕行模式也稱為低速巡航駕駛輔助系統(tǒng)，在此模式下不需要駕駛員操作油門踏板和制動(dòng)踏板，整車控制器自行控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的輸出，使車輛以非常緩慢的速度行駛。車輛蠕行模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在130～200r／min之間，頻率在74Hz附近，駕駛室明顯聽(tīng)到比較低沉的“嗯”的聲音并伴隨從底板傳輸而來(lái)的振動(dòng)，表現(xiàn)為24階、48階噪聲和振動(dòng)，其中24階更為明顯。其測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 駕駛室右耳噪聲測(cè)試

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體振動(dòng)

3 某純電動(dòng)車蠕行模式24階噪聲分析

某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用4對(duì)極、48槽、三相單層繞組永磁同步電機(jī)，匹配一擋減速器進(jìn)行扭矩傳遞輸出。根據(jù)電磁理論對(duì)該驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行電磁力波分析，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為：

定子磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為：

同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要電磁力波的極對(duì)數(shù)為：

那么，對(duì)應(yīng)的電磁力波的頻率為：

式中：k，r——常數(shù)；p——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；fr——轉(zhuǎn)子的頻率；μ±p——電磁力波對(duì)應(yīng)的頻率階數(shù)。

通過(guò)計(jì)算分析，如圖4某驅(qū)動(dòng)電機(jī)力波分析表，8極48槽三相單槽永磁同步電機(jī)的電磁噪聲階次為8，16，24，40，48，64，72，80，88，96，表現(xiàn)最為典型的階次為24，48，96，它們對(duì)應(yīng)的空間階次都為0階。對(duì)應(yīng)整車噪聲振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，蠕行起步階段表現(xiàn)最顯著的是24階噪聲和振動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)特性決定24階電磁力波是轉(zhuǎn)子的5、7次諧波和定子的5、7次諧波相互作用產(chǎn)生的。測(cè)試數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力波分析相吻合，整車蠕行起步階段24階噪聲和振動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)激勵(lì)引起的。

圖4 某驅(qū)動(dòng)電機(jī)力波分析表

采用LMS信號(hào)分析系統(tǒng)在整車上對(duì)動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行錘擊法模態(tài)測(cè)試，激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體及減速器上各點(diǎn)分析懸置主動(dòng)側(cè)頻響，激勵(lì)減速器前端存在74Hz的明顯峰值如圖5所示，表現(xiàn)為動(dòng)力總成繞右后懸置連線旋轉(zhuǎn)的剛體模態(tài)如圖6所示。

圖5 激勵(lì)減速器前端頻響

綜上所述，結(jié)合整車振動(dòng)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)和整車動(dòng)力總成頻響、模態(tài)測(cè)試結(jié)果，車輛在130～200r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在74Hz頻率附近局部強(qiáng)化的24階振動(dòng)噪聲是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)激勵(lì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力波頻率同車輛動(dòng)力總成固有頻率共振引起的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器連接在一起形成新的模態(tài) （74Hz），驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力波的頻率隨著轉(zhuǎn)速變化，在蠕行起步加速的過(guò)程中隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的上升，新的模態(tài)固有頻率同電磁力波頻率重疊，很快產(chǎn)生了共振。

4 某純電動(dòng)車蠕行模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)24階噪聲解決方案

減弱驅(qū)動(dòng)電機(jī)24階噪聲和振動(dòng)可以優(yōu)化電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化傳播路徑等，本文從優(yōu)化控制策略來(lái)緩解蠕行起步階段24階噪聲和振動(dòng)。優(yōu)化控制策略的主要途徑有調(diào)整電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)、調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率、調(diào)整扭矩補(bǔ)償參數(shù)、優(yōu)化扭矩階躍強(qiáng)度等方面。

前期做了大量工作重新標(biāo)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)、扭矩補(bǔ)償參數(shù)以及開(kāi)關(guān)頻率，均沒(méi)有減弱蠕行模式24階振動(dòng)噪聲。最后采用增加預(yù)置扭矩、優(yōu)化扭矩階躍強(qiáng)度有效解決了蠕行模式24階噪聲和振動(dòng)。在整車控制器發(fā)送給電機(jī)控制器使能指令后即給定5Nm的預(yù)置扭矩，讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出扭力，消除傳動(dòng)系統(tǒng)花鍵、齒輪的嚙合間隙，消除了車輛由靜止到行駛的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，車輛進(jìn)入預(yù)備狀態(tài) （處于車輛靜止?fàn)顟B(tài)）；同時(shí)優(yōu)化蠕行工況扭矩階躍梯度，扭矩的增加分兩個(gè)階段，在轉(zhuǎn)速上升到60r／min時(shí)蠕行扭矩達(dá)到最大值35Nm，蠕行工況加速結(jié)束后驅(qū)動(dòng)電機(jī)只需輸出7Nm的力即可使驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在384r／min，較優(yōu)化前最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速降低29r／min，根據(jù)整車參數(shù)換算成車速降低0.4km／h，主觀評(píng)價(jià)不影響駕駛感受。從總線上提取的扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)優(yōu)化前后對(duì)比如圖7所示，整車控制器蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度數(shù)據(jù)前后對(duì)比如圖8所示。

圖6 動(dòng)力總成模態(tài)

圖7 總線上提取的蠕行模式扭矩轉(zhuǎn)速優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖8 蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度標(biāo)定數(shù)據(jù)前后對(duì)比圖

增加預(yù)置扭矩、優(yōu)化蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度后，再次測(cè)量駕駛室右耳噪聲，如圖9所示，噪聲強(qiáng)度明顯減弱，主觀評(píng)價(jià)已無(wú)明顯的感覺(jué)。

5 總結(jié)

本文從優(yōu)化控制策略方面入手，通過(guò)增加預(yù)置扭矩、優(yōu)化蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度，有效緩解了蠕行起步階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的24階振動(dòng)和噪聲。在零部件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行NVH的預(yù)測(cè)分析及研究，在整車零部件選型開(kāi)發(fā)時(shí)進(jìn)行相關(guān)各部件的模態(tài)分析，優(yōu)化控制策略，可有效避免振動(dòng)，降低車內(nèi)及近場(chǎng)噪聲，有效縮短項(xiàng)目周期確保產(chǎn)品順利開(kāi)發(fā)完成，并為后續(xù)新車型的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

圖9 優(yōu)化前后噪聲測(cè)試對(duì)比圖