基于頻譜分析的純電動客車轉(zhuǎn)向噪聲診斷

徐闖, 譚雁清

(1.天津市松正電動汽車技術(shù)股份有限公司研發(fā)中心, 天津 300100； 2.東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 引言

對于傳統(tǒng)的燃油客車，其整車噪聲主要表現(xiàn)為3個方面：發(fā)動機(jī)工作引起的發(fā)動機(jī)噪聲；車輛運行引起的行駛噪聲；輔助行車系統(tǒng)運行引起的附加噪聲，包括冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及制動系統(tǒng)等。以上三者尤其以發(fā)動機(jī)噪聲對整車噪聲水平的影響最大。對于純電動客車，由于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)取代了燃油發(fā)動機(jī)，整車的噪聲水平大幅降低。而車輛行駛噪聲和附加噪聲在整車噪聲水平中所占的比重較燃油客車變大[1-4]。

對于車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在現(xiàn)階段，燃油客車和純電動客車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均為液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在車輛轉(zhuǎn)向時，燃油客車發(fā)動機(jī)噪聲足以淹沒液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲；而在純電動客車上面，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲則表現(xiàn)得非常明顯，這就降低了司乘人員的舒適感。

1 噪聲的產(chǎn)生機(jī)制

噪聲從根本上說，是零件受迫振動后產(chǎn)生激振力，此激振力沿零部件之間的剛性或彈性連接逐級傳遞，在傳遞到外表面零件后激起外表面零件的振動響應(yīng)[5]。振動的外表面激發(fā)相鄰的空氣介質(zhì)的質(zhì)點振動，從而形成聲波向外輻射，即產(chǎn)生了噪聲，如圖1所示。

圖1 噪聲的產(chǎn)生機(jī)制

2

純電動客車轉(zhuǎn)向噪聲分析

純電動客車的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成有：轉(zhuǎn)向傳動軸、液壓動力轉(zhuǎn)向器、電動轉(zhuǎn)向油泵、儲油罐及油路。將待分析車輛開至本底噪聲值低的空曠場地，用聲級計進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向工況下各部件的噪聲值測試。

測試設(shè)備為丹麥Bruel & Kjaer品牌2240型手持式聲級計，測量時聲級計測量頭距離被測部件150 mm。測試結(jié)果見表1。

表1 純電動客車各轉(zhuǎn)向部件噪聲參數(shù)

通過對表1所示的噪聲值進(jìn)行分析可知：在車輛轉(zhuǎn)向過程中，電動轉(zhuǎn)向油泵的噪聲值明顯高于系統(tǒng)的其他部分。為此，進(jìn)一步對電動轉(zhuǎn)向油泵的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3 電動轉(zhuǎn)向油泵噪聲試驗

3.1 噪聲數(shù)據(jù)分析

在上述空曠場地進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向工況下電動轉(zhuǎn)向油泵噪聲數(shù)據(jù)采集。采集用聲壓傳感器靈敏度為40 mV/Pa，頻率響應(yīng)范

圍10 Hz～20 kHz。采集噪聲數(shù)據(jù)時聲壓傳感器測量頭距離電動轉(zhuǎn)向油泵150 mm。將采集到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 電動轉(zhuǎn)向油泵噪聲頻譜分析

依據(jù)頻譜分析結(jié)果，在0～2 000 Hz范圍內(nèi)，噪聲幅值較大的頻率為319.8、640.1、799.8、1 000、1 120.1、1 276.4 Hz。

3.2 噪聲成因分析

通過了解得知，此純電動客車搭載的電動轉(zhuǎn)向油泵在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。電機(jī)為8對極永磁同步電機(jī)，油泵為雙作用式葉片泵，葉片數(shù)量為10片。在電動轉(zhuǎn)向油泵工作時，電機(jī)會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，葉片式油泵會產(chǎn)生液壓油的壓力脈動。由噪聲的產(chǎn)生機(jī)制可知，噪聲產(chǎn)生的根本原因是激振力的存在。在電動轉(zhuǎn)向油泵這一特定的組件中，此激振力即為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和油泵的液壓油壓力脈動。

由電機(jī)工作轉(zhuǎn)速1 200 r/min可以推出，電動轉(zhuǎn)向油泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速基頻為160 Hz，油泵的液壓油壓力脈動頻率為200 Hz。對照轉(zhuǎn)向噪聲頻譜分析結(jié)果(圖2)，噪聲幅值較大的頻率中：319.8、640.1、799.8、1 120.1、1 276.4 Hz分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速基頻的2倍頻、4倍頻、5倍頻、7倍頻和8倍頻；799.8、1 000 Hz分別為液壓油壓力脈動基頻的4倍頻和5倍頻。

據(jù)此可以得出如下結(jié)論：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動及油泵的液壓油壓力脈動是電動轉(zhuǎn)向油泵噪聲的產(chǎn)生根由；其中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的噪聲在頻率范圍和幅值表現(xiàn)上均強(qiáng)于油泵的液壓油壓力脈動。

將同型號電動轉(zhuǎn)向油泵的電機(jī)在消聲室內(nèi)加至對應(yīng)載荷，電機(jī)的噪聲值只有40～45 dB(A)。進(jìn)一步分析可知，電機(jī)與油泵之間通過聯(lián)軸節(jié)傳遞動力，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動也通過聯(lián)軸節(jié)傳遞至了油泵，并經(jīng)由油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了放大，最終加強(qiáng)了電動轉(zhuǎn)向油泵的噪聲水平。

4 降噪措施

4.1 抑制激振力

一方面對電動轉(zhuǎn)向油泵的電機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動從而達(dá)到抑制激振力的目的，降低整車轉(zhuǎn)向噪聲。另外可優(yōu)化葉片泵的吸壓油腔的曲線參數(shù)，從而降低油泵的液壓油壓力脈動。

4.2 屏蔽結(jié)構(gòu)響應(yīng)

既然振動是由電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器傳遞至油泵，因此可對聯(lián)軸器的彈性體硬度進(jìn)行優(yōu)化，在保證動力傳遞可靠的前提下盡量減小彈性體的硬度，最大限度地吸收電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，從而屏蔽其向油泵傳遞。

為驗證降噪措施是否有效，在將聯(lián)軸器彈性體用減小硬度后的彈性體替換后，再次進(jìn)行了手持式聲級計的噪聲值測試，測試結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明：更換聯(lián)軸器彈性體后，電動轉(zhuǎn)向油泵的噪聲值明顯降低。

5 結(jié)論

純電動客車由于取消了傳統(tǒng)燃油客車中噪聲最大的發(fā)動機(jī)，因而其余部件或系統(tǒng)的噪聲表現(xiàn)將嚴(yán)重影響整車的噪聲水平。通過純電動客車轉(zhuǎn)向部件轉(zhuǎn)向工況下的噪聲值測定，初步鎖定噪聲源；再對噪聲源進(jìn)行噪聲頻譜分析，進(jìn)一步明確噪聲的根源。利用噪聲頻譜分析技術(shù)，通過整改后的二次試驗，有效降低了轉(zhuǎn)向部件的噪聲。研究證明了頻譜分析在純電動客車轉(zhuǎn)向噪聲診斷方面的實用性和有效性，為整車生產(chǎn)企業(yè)降低整車轉(zhuǎn)向噪聲提供了科學(xué)路徑。

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