集中驅(qū)動式電動車噪聲特性分析與試驗研究

方 源，章 桐，3，于 蓬，陳霏霏，郭 榮

(1.同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804;2.同濟大學 汽車學院，上海 201804;3.同濟大學 中德學院，上海 201804)

國家政策的導向，環(huán)保意識的增強以及整車廠研發(fā)力度的加大使得純電動汽車已在汽車市場占據(jù)一席之地，并被認為是未來汽車的發(fā)展方向。相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，人們往往會認為純電動汽車噪聲會有很大的改善。但是電動機取代內(nèi)燃機給汽車的NVH帶來了一系列新的挑戰(zhàn):① 電機產(chǎn)生的高頻電磁噪聲影響了汽車的聲品質(zhì);② 高轉(zhuǎn)速、大扭矩的電機特性使得齒輪嘯叫聲格外突出;③ 沒有了發(fā)動機的掩蔽效應(yīng)，汽車輔助系統(tǒng)的噪聲(真空泵、水泵、A/C壓縮機等)將突顯出來。

面對全新的NVH問題，國內(nèi)外學者逐步進行了試驗研究。Li等［1］對純電動車驅(qū)動系統(tǒng)進行聲振特性試驗，對振動噪聲的貢獻部件和產(chǎn)生原因進行了分析，實驗結(jié)果表明:減、差速器是產(chǎn)生振動噪聲的主要貢獻部件。嚴剛對某純電動汽車車內(nèi)噪聲試驗研究，識別了不同工況下的噪聲源，并進一步分析了引起噪聲的具體原因［2］。Okoshi等［3］對比分析了電動車與傳統(tǒng)車噪聲特性的差異，發(fā)現(xiàn)聲品質(zhì)客觀評價參數(shù)更適用于分析電動車噪聲特性，而且電動車的聲場分布極不均勻。方源通過對電動車動力總成進行模態(tài)試驗發(fā)現(xiàn)，在集中驅(qū)動式電動車中，電機與減差速器通過螺栓連接耦合在一起，兩者相互作用，單純的考慮電機或是減速器都是不完整的［4］。

本文針對電動車存在電機電磁噪聲和齒輪嘯叫的現(xiàn)象，在分析電動汽車噪聲源的基礎(chǔ)上進行了整車聲振特性臺架試驗，測試和分析在勻速、加速和反拖滑行工況下，電動車的振動噪聲特性，明確了動力總成噪聲對車外噪聲的貢獻。

1 電動車與傳統(tǒng)車階次噪聲比較

電機取代發(fā)動機后，電動車的噪聲特性發(fā)生了明顯的變化。圖1為某內(nèi)燃機車和電動車的噪聲譜，可以看出內(nèi)燃機車噪聲集中在1000 Hz以內(nèi)，噪聲譜中含有明顯的發(fā)動機階次，主要是由4沖程發(fā)動機工作過程中曲軸運動造成的，其呈現(xiàn)出低階次高幅值的特點。而電動車噪聲集中在中高頻，主要是由電機與齒輪引起的離散的高階次噪聲，容易讓人感到煩躁，難以接受。進一步分析某工況1/3倍頻程下30個頻段內(nèi)的電動車與傳統(tǒng)車噪聲能量的分布情況，由圖2可知，傳統(tǒng)車載低頻段的能量較為集中，能量分布最多的是中心頻率為200 Hz的頻率帶，峰值達37%左右。而電動車的噪音曲線明顯的發(fā)生了峰值偏移，電動車噪音能量集中在中心頻率高于1000 Hz的頻率段上，峰值達到30%左右。由此可見，電動車與傳統(tǒng)車的聲學特性在頻率分布上存在根本區(qū)別，因此，有必要系統(tǒng)研究電動車的噪聲特性。

圖1 傳統(tǒng)車與電動車噪聲譜(左:傳統(tǒng)車;右:電動車)Fig.1 ICEand EV noise spectrum(Left:ICE;Right:EV)

圖2 電動車與傳統(tǒng)車噪聲能量分布圖Fig.2 The energy distribution of combustion cars and EVs

2 電動車噪聲源

電動機取代內(nèi)燃機給汽車的NVH帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。一方面，盡管總聲壓級降低，但某些工況下電機的高頻電磁噪聲讓人感到更加不舒適，影響了聲品質(zhì);另一方面，原本被發(fā)動機噪聲掩蔽掉的各種零部件噪聲則突顯出來。圖3所示為電動汽車的主要噪聲源。各噪聲源所占比例如圖4所示。本文的試驗研究時在半消聲室中進行的，主要為動力傳動系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)噪聲，而風燥和胎噪沒有涉及。

圖3 電動汽車主要噪聲源Fig.3 The main noise sources of EV

圖4 各噪聲源所占比例Fig.4 The proportion of each noise source

2.1 電機

電機的電磁噪聲來源于電磁振動，是由電機氣隙磁場作用于定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力波所激發(fā)。

電磁力可表示為

對于本文所研究的8極48槽永磁同步電動機電磁激振力的諧波來源與次數(shù)如表1所示，其中，p為電機極對數(shù)，n 為1，2，3…

表1 電磁激振力的諧波來源與次數(shù)Tab.1 Harmonic sources and Numbers of the electromagnetic force

2.2 減速器

齒輪嚙合過程中，由于各種誤差和時變嚙合剛度等因素導致嚙合過程產(chǎn)生振動，通過齒輪軸傳遞到箱體引起振動從而輻射出噪聲。齒輪振動的頻率計算公式如式(2)所示，階次計算公式如式(3)所示:

式中:fz為齒輪嚙合頻率;Z為齒輪的齒數(shù);n為齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min;Ordg為齒輪副嚙合階次。

本文研究的齒輪參數(shù)及其嚙合階次如表2所示。

表2 齒輪參數(shù)與嚙合階次Tab.2 Parameters and meshing order of the gears

2.3 輔助系統(tǒng)噪聲

對于電動汽車，原本由發(fā)動機驅(qū)動的汽車輔助系統(tǒng)將由電驅(qū)動，包括:真空泵、水泵、A/C壓縮機、電動轉(zhuǎn)向器等。沒有了發(fā)動機噪聲的掩蔽效應(yīng)，這些在傳統(tǒng)車中感受不到的輔助系統(tǒng)噪聲將突顯出來。

此外，由于輔助設(shè)備的噪聲與車速等工況是獨立的，這種隨機性噪聲容易讓人感到煩躁。

3 整車聲振試驗

3.1 傳感器布置和試驗工況

本試驗針對某集中驅(qū)動式純電動車在半消聲室內(nèi)進行振動噪聲測試，試驗對象如圖5所示。

圖5 試驗用電動小車Fig5 Electric vehicle for experiment

在車內(nèi)外布置麥克風和振動加速度傳感器，各測點的整體布置如表3所示。測試工況為:① 電動車駐車時開啟電動模式，記錄由輔助系統(tǒng)引起的噪聲;②汽車轉(zhuǎn)速在10～80 km/h區(qū)間內(nèi)，每隔10 km/h作為一個穩(wěn)態(tài)工況進行各測點的信號采集，得到各個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的振動噪聲水平;③ 采集電動汽車車速從10 km/h到80 km/h動態(tài)變化過程中的振動噪聲信號，分析電動車加速過程中的振動噪聲特性;④ 將汽車加速到80 km/h后，松開踏板，分析倒拖滑行工況下電動車的振動噪聲信號［8］;⑤ 電動車處于空擋，轉(zhuǎn)鼓滾動帶動汽車行駛，分析穩(wěn)態(tài)倒拖工況下的齒輪噪聲。

表3 傳感器位置Tab.3 Positions of sensors

3.2 穩(wěn)態(tài)工況分析

頻域信息包含了信號的頻率分量大小，能夠提供比時域信息更直觀，豐富的信息。在NVH測試中，通過頻譜分析可以對振動噪聲源進行識別。筆者選取車速為40 km/h、負載扭矩為10 Nm的穩(wěn)態(tài)工況進行分析。

圖6為減速器輸入級軸承座處振動頻域曲線，從圖中可以看出正驅(qū)工況下振動主要集中在一級齒輪嚙合頻率的2倍、3倍頻處，即2642 Hz、3974 Hz。倒拖工況下減速器振動主要是二級齒輪嚙合頻率(485 Hz)及其倍頻處。試驗結(jié)果表明，減速器表面的振動主要來自于齒輪的嚙合激勵。

圖6 減速器加速度頻域曲線Fig.6 Reducer vibration acceleration spectrum

電機表面徑向振動頻譜圖如圖7所示。由圖可知，峰值頻率1132 Hz、1691 Hz分別對應(yīng)電機6、9倍電流頻率，而2642 Hz和3974 Hz分別對應(yīng)輸入級齒輪嚙合頻率的2倍頻和3倍頻。可以看出，齒輪嚙合激勵對電機表面振動產(chǎn)生很大影響，因此在研究電機的過程中不能忽略齒輪系的作用。綜上分析，動力總成的動響應(yīng)受到電磁激勵、齒輪動態(tài)嚙合力等多源激勵以及系統(tǒng)固有特性的綜合作用。

圖7 電機振動加速度頻域曲線Fig.7 Electric machine vibration acceleration spectrum

圖8 輔助系統(tǒng)噪聲頻域曲線Fig.8 Auxiliary system noise frequency spectrum

圖9 減速器聲壓譜Fig.9 Reducer noise frequency spectrum

圖8為輔助系統(tǒng)噪聲頻域曲線，整個工況下，輔助系統(tǒng)都會在480 Hz、1362 Hz等固定頻率處產(chǎn)生噪聲峰值。

對比倒拖和電驅(qū)動工況下減速器近場噪聲譜(見圖9)可以看出，正驅(qū)工況下齒輪階次噪聲主要是一級齒輪的1倍和2倍嚙合頻率引起的，而在倒拖工況下減速器噪聲峰值為二級齒輪嚙合頻率的倍頻處，這與圖5所示的振動頻譜相吻合。

圖10為40 km/h倒拖和電驅(qū)動工況下車外噪聲譜，由圖可知，中低頻下輔助系統(tǒng)噪聲對車外噪聲的貢獻很大，而在中高頻處齒輪嘯叫聲(2700 Hz、4000 Hz處)對車外噪聲貢獻較大。

圖10 車外噪聲聲壓譜Fig.10 Noise frequency spectrum outside the car

3.3 動力總成振動階次分析

如圖11所示為電機處徑向振動加速度結(jié)果，結(jié)合動力總成多源激勵階次特性可以看出:① 電機殼體表明存在明顯的減速器齒輪階次(21階、29階、58階);② 正驅(qū)加速與倒拖滑行的相應(yīng)階次的振動加速度不等;③ 正驅(qū)工況下電機表面的電磁力階次多于倒拖工況(24階、32階、48階)。分析原因如下:① 對于集中驅(qū)動式電動車，電機與減速器是通過螺栓連接成一體的，因此，在實際工作中齒輪嚙合力會通過傳動軸和軸承作用到動力總成箱體，從而引起電機殼體表明產(chǎn)生振動;② 正驅(qū)加速工況比倒拖滑行工況，激發(fā)出相應(yīng)的齒輪階次能量值高，這與齒輪副傳遞的轉(zhuǎn)矩大小以及轉(zhuǎn)速波動大小有一定關(guān)系;③ 汽車在倒拖滑行時，電池停止對電機供電，但電機轉(zhuǎn)子運動切割磁感線，電機內(nèi)仍有較小的電流產(chǎn)生，此時產(chǎn)生的電磁激勵少于正驅(qū)工況。

圖12所示為減速器后軸承座殼體處振動加速度結(jié)果，可以看出:① 正驅(qū)加速與倒拖滑行時，相應(yīng)階次的振動加速度不等;② 倒拖滑行中，齒輪階次的振動加速度普遍變得更加分散。分析原因如下:① 齒輪嚙合階次的振動大小，不僅與齒輪副承載轉(zhuǎn)矩有關(guān)，還與轉(zhuǎn)速波動大小有關(guān)。② 齒輪階次振動加速度在倒拖工況下分散，這主要是因為倒拖工況下齒輪副承載轉(zhuǎn)矩較小，而轉(zhuǎn)速波動較大，使得齒輪的振動愈加復雜，從而齒輪振動階次譜較為分散［6］。

3.4 車外階次噪聲分析

如圖13所示為車外距前輪1 m處噪聲結(jié)果，可以看出:車外噪聲階次譜圖中有電磁力引起的7階次、16階次和24階次電磁噪聲，齒輪嚙合力引起的21階次、29階次和58階次齒輪嘯叫聲。

如圖14所示為車外階次噪聲結(jié)果，它呈現(xiàn)了在車外，加速和松掉加速踏板整車慣性倒拖滑行時，階次噪聲隨電機轉(zhuǎn)速的變化情況。從該噪聲結(jié)果可以看出:① 低速下，電磁噪聲的聲壓級低于齒輪嘯叫聲，隨著車速的升高，兩者的差距逐漸縮小;② 隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，車外各階次噪聲與總體噪聲值的差距，有越來越小的趨勢。分析原因如下:① 隨著車速的增加，電機的輸入電流也逐漸增大，因此由電磁激勵產(chǎn)生的電磁噪聲也逐漸增大;② 隨著車速的升高，動力總成的噪聲逐漸成為車外噪聲的主要貢獻。

圖11 電機處徑向振動加速度Fig.11 Radial vibration acceleration of motor

圖12 減速器振動加速度Fig.12 Radial vibration acceleration of reducer

圖13 車外噪聲Fig.13 Noise outside the car

圖14 車外階次噪聲Fig.14 Order noise result outside the car

3.5 偏相干分析

偏相干分析能夠排除不同輸入信號之間的相互影響，計算某一輸入信號對輸出信號產(chǎn)生的影響。因此，偏相干分析可以有效地識別多輸入單輸出系統(tǒng)的主要噪聲源［7］。圖15所示為電動車噪聲的多輸入單輸出模型。

圖15 多輸入單輸出模型Fig.15 Multi-input single-output system

為了分析動力總成及輔助系統(tǒng)對車外噪聲的主要貢獻量，對車外噪聲、電機和減速器、輔助系統(tǒng)的近場噪聲信號進行偏相干分析，各正驅(qū)穩(wěn)定工況下車外噪聲在其主要峰值頻率處與各噪聲源測點的偏相干分析結(jié)果如表4所示，加粗數(shù)字為最大的偏相干系數(shù)。由表3可知，在車速為30 km/h時，在峰值頻率處動力總成和附件處的噪聲均與車外噪聲有較高的偏相干系數(shù)，數(shù)值基本都在0.8以上，可見此工況下，動力總成和輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲為車外噪聲的主要來源;當車速在40 km/h與50 km/h時，動力總成近場噪聲與車外噪聲的偏相干系數(shù)基本都在0.6以下。可以判斷當該電動汽車中速行駛時，動力總成噪聲對車外噪聲影響不大，這是因為此車速對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速，此時電機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，引起的電磁噪聲和其驅(qū)動齒輪系引起的齒輪噪聲偏小;當車速在60 km/h與70 km/h時，動力總成近場噪聲尤其是減差速器噪聲與車外噪聲的偏相干系數(shù)基本都在0.75以上。可以判斷當該電動汽車高速行駛時，動力總成的齒輪噪聲對車外噪聲影響很大。

表4 車外噪聲峰值頻率處與各噪聲源的偏相干系數(shù)Tab.4 Partial correlation coefficients of noise peaks of the point outside the car to different noise sources near the powertrain

4 結(jié)論

本文進行了某集中驅(qū)動式電動車底盤的聲振特性臺架試驗，對比分析了電動汽車底盤正驅(qū)工況和倒拖工況下動力總成振動噪聲特性、輔助系統(tǒng)的噪聲頻域特性，討論了動力總成噪聲向外部的噪聲輻射特性。得到的主要結(jié)論如下:

(1)電磁噪聲和齒輪嘯叫是電動車主要噪聲源之一，電磁噪聲來源于電磁振動，是由電機氣隙磁場作用于定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力波所激發(fā)。齒輪階次振動及其形成的嘯叫噪聲是由齒輪副的傳動誤差和動態(tài)嚙合力所致。

(2)正驅(qū)工況下振動主要集中在一級齒輪嚙合頻率的2倍、3倍頻處。倒拖工況下減速器振動主要是二級齒輪嚙合頻率(485 Hz)及其倍頻處。電機表面振動不僅受到電磁力的作用還受到齒輪嚙合力的影響。倒拖滑行工況下，電機相當于處于發(fā)電機，此時定子繞組中仍有較小的電流通過，因此會有電磁振動噪聲產(chǎn)生，但明顯小于正驅(qū)工況。

(3)隨著車速的升高，電磁噪聲增加明顯，動力總成的噪聲逐漸成為車外噪聲的主要貢獻。

(4)通過偏相干分析發(fā)現(xiàn):低速時，動力總成和輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲為車外噪聲的主要來源;中速時，動力總成噪聲對車外噪聲影響不大;高速時，動力總成的齒輪噪聲對車外噪聲影響很大。

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