新能源汽車雙電驅系統(tǒng)架構NVH技術研究

郭楊

摘 要：某新能源車型搭載雙電驅系統(tǒng)架構，其雙電驅系統(tǒng)總成搭載在NVH臺架試驗及整車上均出現(xiàn)有拍頻現(xiàn)象和雙電驅系統(tǒng)總成噪聲大，主觀評價不可接受。本文針對雙電驅系統(tǒng) 架構產(chǎn)生特有的拍頻現(xiàn)象和雙電驅系統(tǒng)總成噪聲大從主動降噪激勵源電磁激勵、齒輪激勵以及被動降噪優(yōu)化雙電驅系統(tǒng)殼體、聲學包裝等多方案介紹，并識別出其主要貢獻來源，通過降低激勵源及傳遞路徑主要貢獻量來有效抑制雙電驅系統(tǒng)架構特有的拍頻和降低雙電驅系統(tǒng)總成噪聲大。

關鍵詞：新能源 雙電驅系統(tǒng)架構 拍頻 NVH性能

1 引言

全球新能源汽車行業(yè)一路高歌猛進不可逆的發(fā)展，電動化成為中國乃至全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。無論是傳統(tǒng)燃油車主流汽車廠還是造車新勢力都出現(xiàn)中高端新能源品牌產(chǎn)品，在新能源方向上取得突破，目前市場上新能源汽車占比逐漸增多。

本文以新能源汽車雙電驅系統(tǒng)架構搭載整車為例，在傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)架構里，主要以電機、減速器、電機控制器組合技術方案，簡稱三合一?；蛲ㄟ^傳統(tǒng)的發(fā)動機加電混系統(tǒng)組合技術方案，其中電混系統(tǒng)主要包括電機、離合器、減速器的集成式電子控制器等方案搭載在整車上，以上方式的組合技術方案其轉速、扭矩等性能很難發(fā)揮到極致，為了提高三合一或多合一電驅系統(tǒng)產(chǎn)品的性能開發(fā)，提升產(chǎn)品在全球市場上的競爭力，為消費者帶來更加極致的用戶體驗，從而各大汽車主機廠開始研發(fā)高性能、高效率產(chǎn)品不斷迭代，開發(fā)各種高性能指標參數(shù)的雙電驅系統(tǒng)架構產(chǎn)品。

雙電驅系統(tǒng)架構，其驅動架構主要由雙電機、雙減速器、集成式控制器等組合而成的雙電驅系統(tǒng)技術方案，其布置形式為雙電機對立在兩端布置，每個電機連接一個減速器。這樣雙電驅系統(tǒng)布置形式可以實現(xiàn)單邊驅動或雙邊同步驅動，輪端可同時實現(xiàn)最大轉速或最大扭矩輸出，其雙驅動系統(tǒng)架構搭載在整車上能將其性能發(fā)揮到極致，這樣的雙驅動系統(tǒng)架構特性會帶來獨有的NVH拍頻現(xiàn)象和雙電驅集成雙激勵下噪聲大的NVH難題，通過開發(fā)出樣件搭載NVH臺架試驗及在整車上均有出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象和雙電驅系統(tǒng)總成噪聲大，主觀評價不可接受。為解決其NVH難題，同時也為開發(fā)人員及整個雙電驅架構帶來前所未有巨大挑戰(zhàn)。對雙電驅系統(tǒng)架構特性獨有的拍頻現(xiàn)象以及雙電驅系統(tǒng)總成噪聲大問題，并對能引起雙電驅拍頻現(xiàn)象產(chǎn)生的機理進行詳細分析，通過電磁優(yōu)化、齒輪優(yōu)化、殼體優(yōu)化、聲學包裝優(yōu)化等技術方案方法進行介紹。

2 雙電驅系統(tǒng)架構產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象機理

雙電驅系統(tǒng)架構左右兩電機、齒輪參數(shù)相同，在車輛行駛時當兩電機存在轉數(shù)差，激勵頻率、幅值相近，當出現(xiàn)兩個幅值和頻率相近的簡諧波進行疊加時，會出現(xiàn)幅值忽高忽低的現(xiàn)象即“拍現(xiàn)象”，波形的幅值隨時間作強弱周期變化，單位時間內(nèi)出現(xiàn)的拍數(shù)稱為拍頻，如圖1所示。

2.1 NVH臺架試驗現(xiàn)象特征

在雙電驅系統(tǒng)搭載NVH臺架試驗過程中，模擬整車路況使得左右電驅有轉速差勻速工況，主觀評價拍頻現(xiàn)象很明顯，不可接受，如圖2所示。

2.2 整車拍頻現(xiàn)象特征

當整車狀態(tài)下在道路上行駛轉彎時，左右輪產(chǎn)生轉速差，如下道路轉彎示意圖3所示。

根據(jù)公路設計規(guī)范，例如車速v=80km/h=22m/s時，設計最小轉彎半徑范圍為250m-400m；

當R=250m-400m時，假設總速比13.6，帶入上式計算得：

左右電機轉速：

電機轉速差：

雙電驅系統(tǒng)獨有的架構特性搭載在整車上，行駛工況下存在左右車輪轉速不一致的情況，存在拍頻的風險。為排除拍頻風險及降低雙電驅系統(tǒng)噪聲，需進一步分析影響拍頻及雙電驅系統(tǒng)噪聲大的因素。

3 拍頻根源分析

搭載雙電驅系統(tǒng)NVH臺架試驗結合整車測試數(shù)據(jù)，排查產(chǎn)生拍頻機理分析，通過濾波信號分析，發(fā)現(xiàn)拍頻現(xiàn)象和噪聲大主要貢獻出現(xiàn)在電機階次激勵、齒輪階次激勵，且齒輪激勵貢獻量大于電機激勵，其中電機激勵為低階次和電磁力階次。為了抑制雙電驅系統(tǒng)拍頻現(xiàn)象及降低雙電驅噪聲優(yōu)化解決思路，雙電驅系統(tǒng)方向來講從激勵源（電磁力、齒輪）-傳遞路徑（殼體）方向上去優(yōu)化，整車方向來講激勵源（雙電驅系統(tǒng)聲學包裝）-傳遞路徑（空氣傳聲整車聲學包裝）方向去優(yōu)化。

4 電磁力優(yōu)化

本架構雙電驅系統(tǒng)以汽車運用常見的永磁同步電機為例，其主要有轉子、定子及其繞組、殼體和端蓋組成。其轉子上布置高質量的永磁體磁極，由于永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生切向力供電機輸出驅動扭矩，同時還會產(chǎn)生各種階次頻率的旋轉徑向電磁力，此力將引起電機殼體振動，由結構振動引起的結構表面空氣的壓力脈動，并向外傳播，形成輻射噪聲，因此優(yōu)化電磁力可以降低雙電驅系統(tǒng)振動噪聲。

通過試驗數(shù)據(jù)分析低階次以及電磁力階次在低轉速噪聲較為突出，低階次明顯，可優(yōu)化同軸度來降低低階次貢獻量，其中同軸度與樣件生產(chǎn)、制造、工藝、裝配相關聯(lián)連，一般要求同軸度＜0.2mm，低轉速噪聲較為突出可通過諧波注入方式解決優(yōu)化電磁力在低轉速貢獻量。

5 齒輪優(yōu)化

齒輪在電驅傳遞系統(tǒng)中起著重要作用，在傳動過程中，由于制造加工誤差、嚙合錯位量等因素的影響使得傳動過程中存在齒輪傳遞誤差、彈性變形等現(xiàn)象，導致齒輪副在嚙合與嚙出時偏離理論嚙合線，造成內(nèi)部激勵和外部激勵的沖擊產(chǎn)生動態(tài)激勵力，通過傳動路徑傳遞軸、軸承到電驅殼體，從而振動噪聲異常偏大。在追求更高性能參數(shù)指標的同時對齒輪的要求時越來越苛刻，降低齒輪的激勵力是有效降低總成振動噪聲的重要因素。

其中在前期CAE仿真階段齒輪NVH性能指標項的有重合度、嚙合錯位量、軸擾度、傳遞誤差、接觸斑、齒頂滑移率等參數(shù)指標需滿足目標要求。針對齒輪激勵產(chǎn)生的拍頻現(xiàn)象，可采取避頻或降低齒輪嚙合激勵兩種方案改善拍頻現(xiàn)象及因齒輪階次貢獻的總成噪聲大。

在前期齒輪設計階段，一方面設計齒輪總速比不變調整各級齒數(shù)，可以錯開拍的頻率。另外一方面或齒輪齒數(shù)相同優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)&微觀參數(shù)修形，通過齒面修形參數(shù)優(yōu)化，使齒面接觸位置受力居中減小齒輪傳遞誤差，降低嚙合激勵，如圖4所示。

6 殼體優(yōu)化

雙電驅系統(tǒng)殼體設計開發(fā)要求，需同時滿足NVH、可靠性、輕量化等相關性能目標要求，使得在設計殼體過程中不只是簡單的堆料。其中總成模態(tài)、軸承座動剛度、殼體振動響應及輻射噪聲等是衡量NVH性能開發(fā)仿真分析過程中重要指標項。其中殼體的振動噪聲的響應是有許多不同的模態(tài)響應疊加而來，通過模態(tài)貢獻量計算，可以評估對于某些局部振動噪音峰值，主要參與振動的模態(tài)有哪些，可以針對性的進行弱點優(yōu)化分析，從而可以降低振動噪聲局部峰值。在前期數(shù)據(jù)設計階段，通過CAE仿真方法不斷迭代計算殼體模態(tài)、軸承座動剛度、振動響應及輻射噪聲，可拓撲優(yōu)化方法來提高殼體NVH性能。

本雙電驅系統(tǒng)在前期數(shù)據(jù)CAE建模仿真階段總成一階彎曲模態(tài)、電控蓋板、軸承座動剛度不達標，且存在如一階彎曲、電控蓋板局部呼吸模態(tài)，通過仿真計算殼體振動響應及輻射噪聲進行弱點分析，并通過拓撲結構優(yōu)化加筋及其拱形結構等方式來解決優(yōu)化殼體，使其殼體NVH達標，性能更優(yōu)。

7 聲學包裝優(yōu)化

聲音在空氣介質以聲波的形式傳播，在汽車行業(yè)中需對噪聲進行吸隔聲處理，其材料主要涉及吸聲材料和隔聲材料，一般吸聲材料、隔聲材料運用裝配在整車機艙蓋、前圍板、地板、集成在飾件上等車身位置，其中衡量吸聲材料的重要指標吸聲系數(shù)，吸聲材料在不同的頻率段下其吸聲性能不同，聲波通過吸聲材料里細小的孔狀結構逐漸緩解振動，并轉換為熱能，從而達到吸聲的作用，一般而言吸聲材料在高頻段效果相比低頻段吸聲性能更好。同理衡量隔聲材料的重要指標隔聲系數(shù)，隔聲材料在不同的頻率段下其隔聲性能不同，聲波傳播通過高密度隔聲材料結構反射出去，一般隔振材料在低頻段效果較好。

根據(jù)吸聲材料和隔聲材料的結構聲學特性，設計適合新能源汽車的聲學包裝，新能源車相比傳統(tǒng)車來講高頻噪聲占比多一些，根據(jù)雙電驅系統(tǒng)的結構特性設計聲學包裝技術方案，本雙電驅系統(tǒng)采用吸聲材料與隔聲材料結合，吸聲材料采用PU發(fā)泡，隔聲材料用PET或EVA材料，采用內(nèi)吸外隔的方式集成一體隨電驅系統(tǒng)邊界包絡成型，一般厚度25cm左右覆蓋面積95%左右，同時雙電驅系統(tǒng)總成聲學包需滿足防水、耐腐蝕等性能要求。整車聲學包裝設計技術方案除了傳統(tǒng)的聲學包裝位置布置外在雙電驅系統(tǒng)正上方車身地板下方需覆蓋電驅位置其吸聲材料厚度不低于25cm左右。根據(jù)雙電驅系統(tǒng)本身激勵源噪聲頻率貢獻特性和整車車內(nèi)噪聲特性優(yōu)化調整其聲學包裝吸隔聲系數(shù)方案。

8 優(yōu)化方案樣件搭載臺架及整車驗證

將優(yōu)化技術方案樣件零部件檢測合格后裝配總成完成，搭載NVH臺架試驗測試，其結果如圖5所示，

根據(jù)上圖5原狀態(tài)雙電驅系統(tǒng)總成與優(yōu)化后雙電驅系統(tǒng)總成NVH臺架試驗測試結果對比，拍頻現(xiàn)象改善效果明顯。

如圖6所示，原狀態(tài)與優(yōu)化后的最大幅值及波動量對比，拍頻的最大幅值從65dBA降低到55dBA，拍頻的上下波動縮減了60%。在NVH臺架試驗模擬道路差速各工況下主觀評價拍頻聲明顯變小，且總噪聲明顯降低。

將該NVH臺架試驗的雙電驅系統(tǒng)總成樣件搭載在整車上主觀評價和客觀測試，車內(nèi)無拍頻現(xiàn)象且雙電驅總成噪聲對車內(nèi)貢獻小可接受。

9 結語

新能源汽車雙電驅系統(tǒng)架構且在NVH性能領域里特有的拍頻現(xiàn)象及雙激勵下總成噪聲大的難題。在前期開發(fā)階段NVH臺架試驗及整車樣車階段主觀評價及客觀測試均存在拍頻現(xiàn)象及雙激勵下總成噪聲大等問題并通過電磁力優(yōu)化、齒輪優(yōu)化、殼體優(yōu)化、聲學包裝優(yōu)化等各技術方案，同步結合生產(chǎn)、制造、工藝、裝配等嚴格把控樣件質量等一系列的方案來解決該難題，因此解決雙電驅系統(tǒng)架構所帶來的NVH難題是NVH領域系統(tǒng)工程。

從前期CAE仿真分析到樣車搭載臺架試驗階段及整車驗證階段去識別雙電驅系統(tǒng)架構所帶來的NVH難題，通過系統(tǒng)性技術方案優(yōu)化及生產(chǎn)、制造、工藝、裝配把控質量相結合，有效解決該架構所帶來特有的NVH難題。

新能源汽車行業(yè)內(nèi)相同或類似新能源乘用車雙電驅系統(tǒng)架構車型在前期設計階段及后期樣車調校階段主觀評價存在拍頻現(xiàn)象及雙電驅系統(tǒng)總成噪聲大等難題及NVH性能優(yōu)化提供參考。

參考文獻：

[1]貢俊.電動汽車工程手冊.機械工業(yè)出版社.2019.

[2]譚祥軍.旋轉機械NVH分析與TPA分析.機械工業(yè)出版社.2021.

[3]王志亮.汽車NVH性能設計與控制.機械工業(yè)出版社.2021.