電動車動力總成振動噪聲的試驗研究*

方　源， 章　桐，3， 陳霏霏， 郭　榮

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

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電動車動力總成振動噪聲的試驗研究*

方源1，2， 章桐1，2，3， 陳霏霏1，2， 郭榮1，2

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

由于動力總成的不同，電動車與傳統(tǒng)車的振動噪聲源也有較大差異。筆者對某電動車動力總成的振動噪聲特性進行了試驗研究。利用頻譜分析、階次分析等方法來識別動力總成的主要振動噪聲源，分析加速和穩(wěn)態(tài)工況下各激勵源對動力總成振動噪聲的貢獻量。基于心理聲學客觀評價參數(shù)，分析了電動車動力總成聲品質(zhì)特性。研究結(jié)果為電動車動力總成振動噪聲的優(yōu)化設計提供了試驗支持，并表明了進一步研究電動車聲品質(zhì)的必要性。

動力總成；振動噪聲；階次分析；聲品質(zhì)

引 言

聲品質(zhì)對整車質(zhì)量認知度（perceived quality）有很大影響，統(tǒng)計表明汽車的事態(tài)發(fā)展錯誤（TGW）中有三分之一是與NVH（noise，vibration and harshness，簡稱NVH）有關(guān)，每年噪聲相關(guān)方面的保修費用占據(jù)整車的20％左右。

傳統(tǒng)車動力總成振動噪聲特性的研究已有很多。胡國強［1］通過對柴油機進行燃燒噪聲分析和噪聲源識別，采取怠速噪聲降噪措施，并對優(yōu)化前后的結(jié)果進行聲品質(zhì)比較。盧豐翥［2］對柴油機進行怠速聲品質(zhì)試驗研究發(fā)現(xiàn)，并不是噪聲值越小聲品質(zhì)就越好。相龍洋［3］對手動變速器噪聲源識別進行了試驗研究。但是，對于電動車來說，內(nèi)燃機被電機所取代使得動力總成振動噪聲源發(fā)生很大變化。一方面，電機電磁激勵會產(chǎn)生高頻噪聲；另一方面，由于人的雙耳的構(gòu)造以及掩蔽效應的存在，發(fā)動機的缺失會使電動車其他部件的噪聲變得更為顯著，很多情況下更為刺耳與令人不適（例如：逆變器噪聲，齒輪傳動系噪聲）。

近些年，隨著世界各國大力推廣新能源汽車，國內(nèi)外學者也開始研究電動車的振動噪聲特性。嚴剛［4］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。Rakib Islam［5］學者研究并分析了永磁同步電機的噪聲和振動。研究表明，噪音和振動的根源是徑向力引起的電磁振動。大多學者以噪聲級為標準研究其噪聲特性，并進行降噪的優(yōu)化設計［6-8］。但是，基于噪聲級的研究存在局限性，顧客評價一輛車的好壞并不以噪聲級水平為評價指標，而是以駕駛過程中的主觀感受進行評價。因而，基于能夠反映人的主觀感受的心理聲學客觀評價參數(shù)對電動車進行聲品質(zhì)的研究就尤為必要［9］。

筆者以某集中驅(qū)動式電動車動力總成為研究對象，對其進行振動噪聲整車試驗研究，得到了箱體表面的振動噪聲情況，確定了動力總成振動噪聲的主要激勵源。并以幾個典型的聲理學客觀評價參數(shù)為評價指標，對電動車動力總成聲品質(zhì)特性進行初探。

1 動力總成振動噪聲測試

試驗中振動信號測試系統(tǒng)如圖1所示。考慮到試驗現(xiàn)場整車運行的特點，為了較準確測量電動車動力總成的噪聲，最大限度削弱其它噪聲信號的影響，噪聲測量時采用近聲場測量方法，將麥克風置于與電機動力總成噪聲源較近的測點測量聲壓；然后，再通過LMS SCADASⅢ316W接口箱將信號輸入PC機，由LMS Test Lab軟件完成信號記錄。

LMS Test Lab是一整套的振動噪聲試驗解決方案，是高速多通道數(shù)據(jù)采集與試驗、分析、電子報告工具的結(jié)合，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、結(jié)構(gòu)試驗、旋轉(zhuǎn)機械分析、聲學和環(huán)境試驗。

圖1　振動噪聲信號測試系統(tǒng)Fig.1 Test system of vibration and noise

1.1試驗裝置與測量儀器

本試驗針對某集中驅(qū)動式純電動車動力總成進行振動噪聲測試。試驗在半消聲室內(nèi)進行（圖2）。3個聲壓傳感器分別布置在電機端部、減速器處、差速器處3個位置，4個三向加速度傳感器貼在動力總成表面不同位置。試驗裝置及傳感器測點布置如圖3所示。

圖2　試驗現(xiàn)場Fig.2 Test graph

圖3　傳感器布置Fig.3 The layout of sensors

1.3試驗過程

本次試驗模擬了車輛的典型工況。為了能夠測試動力總成的整體噪聲水平并系統(tǒng)分析其振動噪聲特性，進行了兩種不同的試驗：a.穩(wěn)態(tài)試驗，分別測試了電動車在不同轉(zhuǎn)速下的振動噪聲水平；b.瞬態(tài)試驗，分別測試了車速從0～80 km/h勻加速過程中的振動噪聲水平隨轉(zhuǎn)速變化過程。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1勻速工況

2.1.1動力總成振動測試結(jié)果分析

圖4為車速50 km/h，電機轉(zhuǎn)矩12 N·m時，動力總成箱體表面加速度頻域圖。從圖中觀測到邊頻譜現(xiàn)象，即某些階次響應頻率兩側(cè)存在數(shù)值相近的較為密集的頻率成分，這說明該階次頻率在時域上較為集中分布在一定的區(qū)間范圍內(nèi)。

圖4　動力總成表面振動加速度頻譜圖Fig.4 Vibration acceleration spectrum

圖4（a）表示電機殼體外側(cè)振動情況，從圖中可以看出振動加速度在1 200，1 420，1 650 Hz等頻率處存在峰值，分別對應電機4，7，8倍電流頻率；相比于徑向，電機在切向存在高頻振動，可能是由轉(zhuǎn)矩波動引起的。圖4（b）中，減速器軸承座處在3 300和4 260 Hz附近有明顯峰值，分別對應輸入級齒輪嚙合頻率的2倍頻和3倍頻。值得注意，在3 300 Hz處，整個動力總成表面振動明顯，因此可能與系統(tǒng)某一階模態(tài)有關(guān)。綜上分析，動力總成的動響應受到電磁激勵、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。

2.1.2動力總成噪聲測試結(jié)果分析

研究勻速行駛工況下車內(nèi)噪聲特點和識別主要噪聲源對優(yōu)化整車NVH性能有重要作用。測試10～80 km/h時動力總成噪聲水平，如圖5所示。

圖5　動力總成噪聲水平Fig.5 Noise level

從圖5中可以看出，減速器軸承座處聲壓水平明顯較高，隨著車速的增加，減速器和差速器軸承座處的聲壓級基本不變；相反，電機端部的聲壓級波動較大。在試驗過程中，隨著車速的提高，高頻噪聲增大，盡管電機的噪聲級水平不高，但是由于波動較大，會使人感到煩躁。因此，研究勻速行駛工況下車內(nèi)噪聲特點和識別主要噪聲源對優(yōu)化整車NVH性能有重要作用。

試驗發(fā)現(xiàn)車速以50，60，70 km/h勻速行駛時，動力總成表面3個測量點噪聲分布規(guī)律相似。其中減速器軸承座處測量點噪聲最大。電動車勻速行駛時減速器測量點噪聲特點如圖6所示。由圖可知，減速器處噪聲能量主要分布在1 600～3 500 r/ min。不同車速下，在480與944 Hz處均存在由控制器引起的峰值噪聲。圖6（a）中出現(xiàn)較多峰值，其中1 203，1 698，3 323，4 082 Hz分別為電機6倍、8倍、16倍和20倍的電流頻率，這些峰值都有頻率窄，峰值高的特點，因此對噪聲影響貢獻量較大；1 540，2 985，4 209 Hz分別是輸入級齒輪嚙合頻率的1，2，3倍頻。如果能采取相應的措施，將這些峰值降低，動力總成噪聲將得到大幅的改善。圖6（b）中，60 km/h時，減速器軸承座處有幾個明顯的峰值。其中，1 097，2 057和2 563 Hz分別為電機4倍、8倍和10倍的電流頻率；4 018 Hz為齒輪嚙合頻率的2倍頻。圖6（c）中，在70 km/h時，1 181 Hz對應電機4倍電流頻率。2 437 Hz既對應電機的8倍電流頻率，又對應輸出級齒輪嚙合頻率的3倍頻，因此具有較大峰值；4 462 Hz對應輸入級齒輪嚙合頻率2倍頻，4 863 Hz對應輸出級齒輪嚙合頻率6倍頻。

2.2急加速工況

2.2.1階次跟蹤分析

旋轉(zhuǎn)運動機械的升降速過程的振動噪聲信號為非平穩(wěn)信號，不滿足傅里葉變換對信號的平穩(wěn)性要求，若直接用傳統(tǒng)傅里葉變換進行頻譜分析，則會產(chǎn)生“頻率模糊”現(xiàn)象。階次跟蹤是用于分析旋轉(zhuǎn)運動部件故障的重要方法，用等角度間隔采樣將非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化為不受其影響的平穩(wěn)信號，結(jié)合傳統(tǒng)頻譜分析對系統(tǒng)進行振動和噪聲信號的分析［10］。

研究旋轉(zhuǎn)部件時，定義參考軸轉(zhuǎn)頻為基頻（1階），其它軸或部件頻率為參考軸頻率的倍數(shù)，稱為階次。階次與頻率、參考軸轉(zhuǎn)速間轉(zhuǎn)化公式分別為

其中：f為頻率，Hz；n為參考軸轉(zhuǎn)速，r/min。

減速器齒輪參數(shù)如表1所示。

表1　齒輪參數(shù)Tab.1 Gear parameters

電機轉(zhuǎn)軸為參考軸，其轉(zhuǎn)動階次為Oref= 1 ord。因此，輸入級齒輪嚙合階次為Og1=29 ord。中間軸轉(zhuǎn)動階次為參考軸階次乘以傳動比，即Oa1=1×29/47=0.62 ord；輸出級齒輪嚙合階次為Og2=0.62×17=10.54 ord。

對于整數(shù)槽繞組永磁同步電動機產(chǎn)生的電磁激振力的階次可以表示為［11］

其中：p為電機極對數(shù)，k=1，2，3，…。

2.2.2動力總成振動測試結(jié)果分析

在圖7（a）電機外側(cè)徑向振動階次圖中，第20，24，28階均與電磁激勵有關(guān)，電流諧波引起15階和38階，齒輪嚙合激勵引起第55階和57階；圖7（b）減速器軸承座處y向振動階次圖中，第53，54，55，56，57階與齒輪嚙合頻率有關(guān)，而第28階則與電磁激勵有關(guān)。因此，電磁激勵與齒輪嚙合激勵對動力總成振動特性均有影響。

圖6　減速器表面噪聲特點Fig.6 Noise characteristics of reducer

圖7　動力總成表面振動階次圖Fig.7 Vibration order of electric powertrain

2.2.3動力總成噪聲測試結(jié)果分析

圖8為電機端部聲壓階次圖，結(jié)合圖7（a）可以看出，部分振動階次在聲場中也得到體現(xiàn)：既有電磁激勵產(chǎn)生的第20，28階次，也有齒輪嚙合激勵產(chǎn)生的55階次。

圖8　電機端部噪聲階次圖Fig.8 Motor noise order

圖9中最上方粗線為總體噪聲級水平，其他各曲線為各特征階次對應的噪聲分量。由圖9可知，在低轉(zhuǎn)速920 r/min以下，55階次對系統(tǒng)總體噪聲的貢獻很大。在中等轉(zhuǎn)速2 000～3 000 r/min時，各階噪聲對總體噪聲水平的貢獻相差不大。在高轉(zhuǎn)速3 300～5 000 r/min時，第20階對總體噪聲的貢獻較大。由此可以看出，電機端部的噪聲主要是由電磁激勵引起的。

圖9　電機端部噪聲階次轉(zhuǎn)速跟蹤圖Fig.9 Motor noise order tracking

由圖9看出，20階和35階在4 398 r/min處出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速分別對應圖中1 363和2 516 Hz。28階在5 243 r/min出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速對應圖中的頻率2 516 Hz。55階在1 604 r/min和2 765 r/min出現(xiàn)峰值，此兩轉(zhuǎn)速分別對應圖中的頻率1 363和2 516 Hz。從圖中可以看出，1 363 Hz和2 516 Hz對應的振動加速度幅值在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都較高，因此這兩個頻率應為動力總成系統(tǒng)的某兩階模態(tài)頻率。

圖10為減速器軸承座處噪聲階次圖，結(jié)合圖7（b）可以看出，部分振動階次在聲場中也得到體現(xiàn)：既有電磁激勵產(chǎn)生的第20，28階次，也有齒輪嚙合激勵產(chǎn)生的29，55和57階次。

圖10　減速器軸承座處聲壓階次圖Fig.10 Reducer noise order

圖11中最上方粗線為總體噪聲級水平。其他各曲線為各特征階次對應的噪聲分量。由該圖可知，在高轉(zhuǎn)速1 387～2 034 r/min時，第20和28階對總體噪聲的貢獻較大。在轉(zhuǎn)速2 034～4 300 r/ min時，第55和57階噪聲對總體噪聲水平的貢獻較大。在轉(zhuǎn)速5 000 r/min以上時，第20和28階是總體噪聲的主要貢獻。

圖11　減速器噪聲階次轉(zhuǎn)速跟蹤圖Fig.11 Reducer noise order tracking

由圖11可以看出，55階在4 294 r/min處出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速分別對應圖中3 943 Hz。28階在5 088 r/min出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速從圖9中也可以反映出來。值得注意的是，在3 800 r/min以上，盡管第20和28階次對系統(tǒng)總噪聲級貢獻并不明顯，但是由于其波動較大，使人感到煩躁。因此，在以噪聲級水平為目標值進行NVH研究并不完全適用。

3 聲品質(zhì)

汽車作為商品最終是面向市場的，顧客對汽車的主觀感受是決定一輛車好壞的最終標準。發(fā)動機的掩蔽效應缺失，電機的高頻噪聲，高轉(zhuǎn)速帶來的齒輪嘯叫問題，汽車品牌音質(zhì)以及人們對電動車舒適環(huán)境的高期望值，給電動車NVH的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。僅僅以聲壓級作為NVH的衡量標準不再滿足汽車的發(fā)展要求，盡管某些工況下電動車的總體噪聲水平低于傳統(tǒng)車，但是，聽起來會很不舒服［10］。因此，心理聲學就應運而生，心理聲學是研究聽覺的心理反應。

由于人的主觀感受沒有統(tǒng)一標準，不易測量。因此，國際上許多專家學者提出用心理聲學客觀參數(shù)來反映人的主觀感受。響度、尖銳度是影響聲品質(zhì)偏好型的兩個主要心理聲學參數(shù)。其中，響度是反映人耳對聲音強弱的主觀感受程度，它考慮了特征頻帶分布和人耳掩蔽效應對聲音的影響。尖銳度描述了高頻成分在聲音頻譜中所占的比例，它反映了聲音信號的刺耳程度。

圖12為動力總成表面的響度情況，從圖中可以看出3個測量點的趨勢基本一致，隨著車速的升高，響度逐漸增大，人耳也感覺聲音越來越響。圖13為動力總成表面尖銳度情況，從圖中可知，動力總成表面的尖銳度分部極不均勻。電機端部尖銳度隨著車速升高先快速下降再緩慢升高；減速器處尖銳度整體趨勢則先隨轉(zhuǎn)速升高而緩慢下降再快速升高，并在轉(zhuǎn)速為4 300 r/min（車速65 km/h）左右時出現(xiàn)峰值，隨后又有所下降；減速器處尖銳度隨著轉(zhuǎn)速升高先快速下降隨后逐漸升高；3個測量點的尖銳度均在轉(zhuǎn)速為1 700 r/min（車速26 km/h）左右時有最小值并相差不大。由此可知，此時動力總成表面尖銳度分布最均勻，而且人耳感覺最不刺耳。

圖12　響度Fig.12 Loudness

圖13　尖銳度Fig.13 Sharpness

4 結(jié) 論

1）綜合利用頻譜分析、階次分析等方法來識別動力總成的主要振動噪聲源。電機電磁激勵產(chǎn)生的第4，5，6，7倍電流頻率和減速器齒輪的1，2，3倍嚙合頻率對系統(tǒng)的振動噪聲影響較大。

2）試驗發(fā)現(xiàn)，盡管電機端的總體噪聲水平較減速器與差速器低，但是波動較大，聽起來感到不舒服。這說明聲音的煩躁度與聲壓級沒有關(guān)系，而是與聲壓級的變化率有關(guān)。

3）以心理聲學客觀評價參數(shù)為標準，對動力總成聲品質(zhì)特性進行了初步研究。研究發(fā)現(xiàn)，動力總成表面響度分布較一致；尖銳度分布不均勻，車速為26 km/h時，有最小值。

［1］ 胡國強，陳曉東，孫柏林，等.4缸柴油機怠速噪聲及聲品質(zhì)優(yōu)化研究［J］.內(nèi)燃機工程，2009，30（4）：78-81. Hu Guoqiang，Chen Xiaodong，Sun Bolin，et al.Study and optimization on idle noise and sound qualityof four cylinder diesel engine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（4）：78-81.（in Chinese）

［2］ 盧豐翥，王紅劍，鄭貴聰.柴油機怠速聲音品質(zhì)試驗研究［J］.內(nèi)燃機，2012（4）：40-43. Lu Fengzhu，Wang Hongjian，Zheng Guicong.Experimental study on idle speed sound quality of diesel engine［J］.Internal Combustion Engines，2012（4）：40-43.（in Chinese）

［3］ 相龍洋，左曙光，何呂昌.基于試驗的汽車手動變速器噪聲源識別［J］.振動、測試與診斷，2013，33（3）：426-430. Xiang Longyang，Zuo Shuguang，He lvchang.Identification of noise sources of automotive manual transmission based on experiment［J］.Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis，2013，33（3）：426-430.（in Chinese）

［4］ 嚴剛，夏順禮，張歡歡，等.某純電動車車內(nèi)噪聲試驗分析與識別［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，34（9）：1298-1301. Yan Gang，Xia Shunli，Zhang Huanhuan，et al.Test analysis and identification of noise inside a pure electric vehicle［J］.Journal of Hefei University of Technology：Natural Science，2011，34（9）：1298-1301.（in Chinese）

［5］ Islam R，Husain I.Analytical model for predicting noise and vibration in permanent-magnet synchronous motors［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2010，46（6）：2346-2354.

［6］ Vivier S，Ait-Hammouda A，Hecquet M，et al.Vibro-acoustic optimization of a permanent magnet synchronous machine using the experimental design method［M］.Recent Developments of Electrical Drives：Springer Netherlands，2006：101-114.

［7］ Van Der Giet M，F(xiàn)ranck D，Rothe R，et al.Fast-andeasy acoustic optimization of PMSM by means of hybrid modeling and FEM-to-measurement transfer functions［C］∥（ICEM），2010 XIX International Conference on Electrical Machines，［S.l.］：IEEE，2010：1-6.

［8］ 田雄，李宏成，呂先鋒，等.基于傳遞路徑試驗分析的變速器敲擊噪聲優(yōu)化［J］.振動工程學報，2010，23（6）：642-648. Tian Xiong，Li Hongcheng，Lv Xianfeng，et al.A study on transmission rattle noise optimization based on transfer path test analysis［J］.Journal of Vibration Engineering，2010，23（6）：642-648.（in Chinese）

［9］ Okoshi M，Sato K，Hashimoto Y，et al.Test equipment maker′s cooporative approach to the measurement next generation automotives：comparison of noise and vibration characteristics between ice vehicle and EV［R］.No.2011-39-7202，［S.l.］：SAE Technical Paper，2011.

［10］李輝，鄭海起，楊紹普.齒輪箱起動過程故障診斷［J］.振動、測試與診斷，2009，29（2）：167-170. Li hui，Zheng Haiqi，Yang Zhaopu.Gear fault diagnosis using order tracking and teager energy operator during startup［J］.Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis，2009，29（2）：167-170.（in Chinese）

［11］宋志環(huán).永磁同步電動機電磁振動噪聲源識別技術(shù)的研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2010.

U463.2

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.02.001

方源，男，1989年1月生，博士研究生。主要研究方向為電動汽車動力總成NVH特性。曾發(fā)表《電動車動力總成內(nèi)部激勵的研究分析》（《振動、測試與診斷》，2014年第34卷第3期）等論文。

E-mail：fang_yuan1101@163.com

簡介：章桐，男，1960年8月生，教授、博士生導師。主要研究方向為整車集成設計及新能源汽車動力系統(tǒng)。E-mail：tzhang@fcv-sh.com

*國家“863計劃”資助項目（2011AA11A265）；國家自然科學基金資助項目（51205290）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（1700219118）

2014-01-03；

2014-03-05