基于模態(tài)分析的電驅(qū)動(dòng)橋噪聲優(yōu)化

呂良遠(yuǎn), 周炳松, 余云飛, 劉任權(quán), 全旺賢

(柳州五菱新能源汽車有限公司, 廣西 柳州 545007)

電驅(qū)動(dòng)橋噪聲是電動(dòng)汽車的主要噪聲源之一[1]。針對電驅(qū)動(dòng)橋噪聲的控制,大多研究以電機(jī)電磁力引起的電磁噪聲以及旋轉(zhuǎn)階次噪聲為主[2-4],而忽視了電驅(qū)動(dòng)橋總成模態(tài)與整車激勵(lì)頻率敏感性的相關(guān)影響。本文以一款增程式電動(dòng)汽車為研究對象,利用測試與仿真相結(jié)合的分析方法,通過對該車電驅(qū)動(dòng)橋總成模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,從而避開整車的激勵(lì)頻率來改善電驅(qū)動(dòng)橋引起的車內(nèi)噪聲問題。

1 問題描述及排查

本文所述的電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)型式如圖1所示:驅(qū)動(dòng)電機(jī)左端面通過螺栓與電機(jī)支架剛性連接,電機(jī)支架又通過螺栓與后橋支架剛性連接,后橋支架通過焊接方式固定在后橋上;驅(qū)動(dòng)電機(jī)右端面與減速器殼體左端面通過周布螺栓剛性連接;減速器殼體與差速器殼體同樣是通過周布螺栓剛性連接。

1-后橋支架; 2-電機(jī)支架; 3-半軸橋管; 4-電機(jī)總成; 5-減速器總成; 6-差速器總成圖1 電驅(qū)動(dòng)橋布置型式

1.1 問題描述

在進(jìn)行主觀評價(jià)時(shí),發(fā)現(xiàn)駕駛過程中車內(nèi)能聽到明顯的“嗚嗚”聲,尤其在車速100 km/h工況下特別明顯。評價(jià)人員一致認(rèn)為該異常噪聲屬于必須改善的問題[5]。

利用LMS Test.lab測試分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車測試和頻譜分析發(fā)現(xiàn):勻速100 km/h車速下車內(nèi)前排噪聲總聲壓級為69.5 dB(A)、中排噪聲總聲壓級為71.4 dB(A)、后排噪聲總聲壓級為74.2 dB(A)。通過對采集到的聲音進(jìn)行濾波回放分析,確定470 Hz為“嗚嗚”聲的主要貢獻(xiàn)頻率,其后排噪聲值達(dá)到68.7 dB(A)。勻速100 km/h車內(nèi)噪聲部分頻譜如圖2所示。

(a) 車內(nèi)前排噪聲頻譜

(b) 車內(nèi)中排噪聲頻譜

(c) 車內(nèi)后排噪聲頻譜圖2 勻速100 km/h車內(nèi)噪聲頻譜

1.2 問題排查

對測試車輛前、中、后排噪聲進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)中排及后排噪聲明顯比前排大。結(jié)合主觀評價(jià)初步判定“嗚嗚”聲主要來源于中、后排地板下的電驅(qū)動(dòng)橋。為進(jìn)一步確認(rèn),分別對整個(gè)后橋區(qū)域的不同零部件進(jìn)行振動(dòng)噪聲相關(guān)性測試及頻譜分析。因?yàn)楹髽蛏系牧慵际莿傂赃B接的,而測試后發(fā)現(xiàn)后橋上多個(gè)位置的振動(dòng)都存在470 Hz峰值,且電機(jī)及減速器殼體的470 Hz振動(dòng)峰值最明顯,這說明車內(nèi)“嗚嗚”聲與電驅(qū)動(dòng)橋有很強(qiáng)的相關(guān)性,且主要問題就在電機(jī)及減速器上。頻譜相關(guān)性分析結(jié)果如圖3所示。

(a) 減速器振動(dòng)頻譜

(b) 電機(jī)振動(dòng)頻譜圖3 噪聲與振動(dòng)相關(guān)性分析

2 問題分析及優(yōu)化

2.1 問題分析

電驅(qū)動(dòng)橋在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振動(dòng),旋轉(zhuǎn)軸的一階激勵(lì)頻率可用式(1)表示,同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸還會(huì)產(chǎn)生2、3、4……諧階次振動(dòng)[6]。

f=n/60

(1)

式中:f為頻率;n為轉(zhuǎn)速。

通過讀取測試時(shí)整車CAN信號里的車速及電機(jī)轉(zhuǎn)速可知,車速在勻速100 km/h時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 100 r/min,通過式(1)可知電機(jī)轉(zhuǎn)子軸第1階激勵(lì)頻率f1為118 Hz,第2、3、4諧階次振動(dòng)頻率分別為236、354、472 Hz;其中第4階頻率與車內(nèi)“嗚嗚”聲頻率相近。

通過測試實(shí)車裝配狀態(tài)下電驅(qū)動(dòng)橋的模態(tài),部分測試結(jié)果見表1,其中電驅(qū)動(dòng)橋的第7階(電機(jī)減速器Z向)模態(tài)頻率465 Hz與車速100 km/h時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸4階頻率及整車問題頻率470 Hz都非常接近。由此基本可以確定車內(nèi)的“嗚嗚”聲是因?yàn)殡婒?qū)動(dòng)橋的第7階模態(tài)被電機(jī)轉(zhuǎn)子軸第4階激勵(lì)共振而產(chǎn)生。

表1 電驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)測試結(jié)果

利用CAE仿真分析是一種快速尋找優(yōu)化方案的方法,可以節(jié)約大量的時(shí)間。通過對電機(jī)及減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化(但需保證內(nèi)部零件的重量及質(zhì)心的準(zhǔn)確性)[7],進(jìn)行仿真計(jì)算后得到電驅(qū)動(dòng)橋仿真結(jié)果與測試結(jié)果的誤差見表2。仿真與測試結(jié)果誤差都在10%以內(nèi),滿足工程分析要求[8];測試與仿真分析的模態(tài)振型基本一致,可以確定仿真分析的準(zhǔn)確性。

表2 電驅(qū)動(dòng)橋測試與仿真模態(tài)對比

2.2 方案優(yōu)化

通過前文的分析可知,產(chǎn)生該問題的主要原因是電驅(qū)動(dòng)橋總成的第7階模態(tài)被激發(fā)引起車內(nèi)“嗚嗚”聲,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般可優(yōu)化該階模態(tài)與激勵(lì)頻率避開10%以上即可達(dá)到避頻效果,從而改善車內(nèi)“嗚嗚”聲。根據(jù)振動(dòng)理論可知,改變模態(tài)的方法主要是改變系統(tǒng)剛度及質(zhì)量。若系統(tǒng)是由多個(gè)零件構(gòu)成的總成件,則可通過加強(qiáng)相連零件間的連接剛度來提升系統(tǒng)剛度。在進(jìn)行方案優(yōu)化時(shí)應(yīng)盡量選用輕量化、低成本方案,這樣更有利于控制整車成本及能耗。

基于以上原則,本文通過增加電機(jī)支架與后橋支架的連接點(diǎn)(由2個(gè)增加至3個(gè))、增加電機(jī)支架加強(qiáng)筋(由3根增加至4根)并優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置,同時(shí)電機(jī)支架整體厚度由4 mm加厚至5 mm。優(yōu)化前后實(shí)物對比如圖4所示。該優(yōu)化方案不涉及零件的模具開發(fā)及更改,成本增加相對較少。

圖4 優(yōu)化前后樣件實(shí)物

從表3可以看出,優(yōu)化后的電驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)頻率相比優(yōu)化前都有不同程度的提高,同時(shí)也避開了問題車速下電機(jī)轉(zhuǎn)子軸各諧階次頻率。

表3 優(yōu)化前后電驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)對比

2.3 優(yōu)化方案實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)仿真優(yōu)化方案進(jìn)行電機(jī)支架樣件制造并搭載實(shí)車進(jìn)行效果驗(yàn)證,優(yōu)化后,車速在勻速100 km/h時(shí),車內(nèi)前排噪聲總聲壓級從69.5 dB(A)下降至69.1 dB(A);中排噪聲總聲壓級從71.4 dB(A)下降至70.2 dB(A);后排噪聲總聲壓級從74.2 dB(A)下降至70.2 dB(A),原來最突出的470 Hz處噪聲值下降至39.8 dB(A),峰值已基本消失(如圖5所示)。進(jìn)行實(shí)車主觀評價(jià)時(shí)車內(nèi)已完全聽不到“嗚嗚”聲,說明該方案優(yōu)化效果明顯達(dá)到預(yù)期。

(a) 優(yōu)化后車內(nèi)前排噪聲頻譜

(b) 優(yōu)化后車內(nèi)中排噪聲頻譜

(c) 優(yōu)化后車內(nèi)后排噪聲頻譜圖5 優(yōu)化后車內(nèi)噪聲頻譜

3 結(jié)束語

本文利用試驗(yàn)測試與仿真相結(jié)合的方法對一款增程式汽車電驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)引起的車內(nèi)噪聲問題進(jìn)行分析、優(yōu)化,提升電驅(qū)動(dòng)橋模態(tài)以避開整車的激勵(lì)頻率,并通過實(shí)車驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性,為以后電驅(qū)動(dòng)橋引起的整車噪聲優(yōu)化提供了一種思路:若無法改變激勵(lì),可通過改變結(jié)構(gòu)模態(tài)來避開激勵(lì)頻率從而改善整車噪聲。