電動汽車電機(jī)總成振動噪聲改善研究

高龍， 毛鴻鋒， 劉偉良， 肖偉強(qiáng)， 吳佐來， 羅磊

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司， 湖南 株洲 412001)

汽車振動噪聲控制對提高駕乘體驗尤為重要。電動汽車以電驅(qū)總成代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)動機(jī)變速箱，其引發(fā)的振動噪聲特性完全不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對電動汽車的振動噪聲問題作了不少研究。嚴(yán)剛等通過某電動汽車車內(nèi)振動噪聲試驗識別不同工況下整車噪聲源，并分析了引起車內(nèi)噪聲的原因。Dong L.等分析了感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)的振動噪聲特性，提出電機(jī)振動噪聲研究中需充分考慮電機(jī)控制方式的影響。但目前對電動汽車振動噪聲的研究大都集中在振動噪聲產(chǎn)生源頭和機(jī)理等方面，很少從傳遞路徑方面對電動汽車振動噪聲問題進(jìn)行研究。

相關(guān)研究表明，復(fù)合材料具有突出的振動噪聲抑制性能，當(dāng)前在家電和船舶等行業(yè)已有大量研究與應(yīng)用。李濤等對減振板材的減振降噪機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并將減振板材成功應(yīng)用于船舶的減振降噪，取得了不錯的效果。熊志遠(yuǎn)等對隔音降噪壁板的微觀力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于汽車車身的降噪，取得了顯著效果。目前，工程上在電動汽車減振降噪領(lǐng)域還未見減振降噪材料的公開研究及批量應(yīng)用。該文分析電驅(qū)總成振動產(chǎn)生機(jī)理及傳遞路徑，研究某阻尼復(fù)合材料的減振降噪機(jī)理，并將其應(yīng)用于某電動汽車電驅(qū)總成上蓋板，分析其減振降噪效果。

1 噪聲產(chǎn)生及傳遞機(jī)理

電動汽車電驅(qū)總成主要由電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器組成，其噪聲是電動汽車振動噪聲的主要來源。電驅(qū)總成的振動噪聲主要由電機(jī)產(chǎn)生的電磁振動噪聲、減速器產(chǎn)生的齒輪嚙合機(jī)械噪聲、電機(jī)控制器開關(guān)器件引入的開關(guān)頻率電磁噪聲三部分組成。其傳遞途徑主要有2條：一條是通過電驅(qū)總成連接支架經(jīng)整車懸置及車身結(jié)構(gòu)件傳遞到車內(nèi)；另一條是振動能量通過電驅(qū)總成殼體向外輻射能量，最終通過空氣傳遞到車內(nèi)。

電驅(qū)總成電機(jī)控制器蓋板通常是電驅(qū)總成殼體最薄弱的部件，其模態(tài)頻率低，是電驅(qū)總成對外輻射振動噪聲能量的主要部件。通常電機(jī)控制器蓋板采用ADC12材料，其價格低廉，但能量傳遞衰減小，減振降噪效果差。隨著對電驅(qū)總成振動噪聲及功率密度要求的提高，傳統(tǒng)的ADC12材料越來越難以滿足要求，急需開發(fā)既重量輕又具有良好減振降噪效果的材料。

2 復(fù)合材料蓋板

選用某約束阻尼復(fù)合材料制作電驅(qū)總成控制器蓋板(見圖1)。阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)板材通過阻尼材料與金屬材料構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)來提高整體阻尼,一般分為自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束性阻尼結(jié)構(gòu)。在振動結(jié)構(gòu)表面直接附加一層損耗模量較大的阻尼材料稱為自由阻尼結(jié)構(gòu)，在自由阻尼結(jié)構(gòu)外面再加一層模量高的材料如鋼板或鋁板即構(gòu)成約束阻尼結(jié)構(gòu)。阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)板材見圖2。

圖1 復(fù)合材料蓋板

圖2 阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)板材示意圖

振動物體發(fā)生彎曲振動時，其能量迅速傳遞給緊密貼涂在其表面的阻尼材料，引起基體和阻尼材料之間相互摩擦和錯動，阻尼材料時而被拉伸時而被壓縮。由于阻尼材料的內(nèi)損耗大，基體有相當(dāng)一部分振動能量轉(zhuǎn)化為熱能釋放，從而減弱板材的彎曲振動。同時，約束阻尼結(jié)構(gòu)在受到振動時，約束層和阻尼層會伸長，但約束層的伸長遠(yuǎn)小于阻尼層的伸長，因而約束層會阻止阻尼層的伸長，當(dāng)阻尼層壓縮時，約束層又會阻止阻尼層的壓縮變形，從而形成除拉伸壓縮變形之外的剪切變形，增大振動能量的耗散，達(dá)到減振效果。同等條件下，約束阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的減振降噪效果比傳統(tǒng)金屬材料更好。

3 試驗研究

選取一款正在研究開發(fā)中的電動汽車電機(jī)總成作為研究對象，該電機(jī)總成最大功率為120 kW，采用8極48槽永磁同步電機(jī)。把該電機(jī)總成安裝在測功機(jī)上，在總成控制器蓋板上安裝三向振動加速度傳感器采集振動信號，在總成控制器蓋板前方安裝麥克風(fēng)采集總成對外輻射的聲音信號。電機(jī)總成臺架安裝見圖3。

圖3 電機(jī)總成安裝圖

采用臺架上測試極端工況中滿扭矩升速工況模擬整車全油門加速工況，分別測試采用原蓋板和新蓋板的電機(jī)總成各3組數(shù)據(jù)，選取外界干擾較小的測試數(shù)據(jù)各1組進(jìn)行對比分析，評價電機(jī)總成的NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)性能。原蓋板、新蓋板臺架測試噪聲頻譜分別見圖4、圖5。

圖4 原蓋板噪聲頻譜圖

圖5 新蓋板噪聲頻譜圖

從圖4可看出:采用原蓋板時，在640、1 600 Hz頻率附近存在2個明顯的共振帶。電機(jī)總成24階噪聲量級在中速段3 500～6 000 r/min較大，對應(yīng)頻率為1 400～2 400 Hz；電機(jī)總成48階噪聲量級在低速段1 750～3 000 r/min較大，對應(yīng)頻率為1 400～2 400 Hz；電機(jī)總成48階噪聲量級在高速段6 000～10 000 r/min較大，對應(yīng)頻率為4 800～8 000 Hz。

從圖5可看出：采用新蓋板時，640、1 600 Hz附近共振帶消失。電機(jī)總成24階噪聲量級在中速段3 500～6 000 r/min較原蓋板有所改善；電機(jī)總成48階噪聲量級在低速段1 750～3 000 r/min較原蓋板明顯改善；電機(jī)總成48階噪聲量級在高速段6 000～10 000 r/min依然較大，無明顯改善。

為更直觀地比較采用不同蓋板時電機(jī)總成的NVH性能，將2種蓋板頻譜圖中電機(jī)總成24階、48階噪聲作階次切片進(jìn)行比較(見圖6、圖7)。

圖7 采用不同蓋板時電機(jī)總成48階噪聲對比

從圖6可看出：采用原蓋板時電機(jī)總成對外輻射的24階噪聲在3 500～6 000 r/min轉(zhuǎn)速段的信噪比RMS達(dá)到83 dB(A)，采用新蓋板時為72 dB(A)，比采用原蓋板時減少11 dB(A)，降噪效果明顯。但采用新蓋板時24階噪聲在6 000 r/min以上轉(zhuǎn)速段較采用原蓋板時無明顯改善。新蓋板24階噪聲在1 640 r/min轉(zhuǎn)速時的RMS值為58 dB(A)，較原蓋板的81 dB(A)減少23 dB(A)。這主要是因為電機(jī)24階1 640 r/min對應(yīng)的頻率為656 Hz，換新蓋板后，640 Hz附近的共振帶消失，振動減弱，進(jìn)而對外輻射噪聲減小。

圖6 采用不同蓋板時電機(jī)總成24階噪聲對比

從圖7可看出：采用原蓋板時電機(jī)總成對外輻射的48階噪聲在1 750～3 000 r/min轉(zhuǎn)速段的RMS值為80 dB(A)，采用新蓋板時為68 dB(A)，較原蓋板減少12 dB(A)，降噪明顯。但采用新蓋板時電機(jī)總成48階噪聲在3 000 r/min以上轉(zhuǎn)速段較原蓋板無明顯改善。新蓋板48階噪聲在820 r/min轉(zhuǎn)速時的噪聲為51 dB(A)，較原蓋板的85 dB(A)減少34 dB(A)。這主要是因為電機(jī)48階噪聲在820 r/min轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的頻率為656 Hz，換新蓋板后，640 Hz附近的共振帶消失，振動減弱，進(jìn)而對外輻射噪聲減小。

綜上，新蓋板對電機(jī)總成有較好的減振降噪效果，其有效減振降噪作用頻率為中低頻段1 400～2 400 Hz。

4 結(jié)論

針對一款研發(fā)中電機(jī)總成的NVH問題，從降低噪聲輻射傳遞的角度，選用一款新型阻尼復(fù)合材料蓋板代替原鋁蓋板。試驗研究結(jié)果表明：新蓋板在中低頻段對降低電機(jī)噪聲輻射效果顯著，24階噪聲在該頻段降低11 dB(A)，48階噪聲在該頻段降低12 dB(A)，且由于蓋板模態(tài)的改變，原蓋板640 Hz附近的共振帶消失，進(jìn)而使640 Hz附近的噪聲明顯減小。采用該復(fù)合材料能顯著降低電機(jī)總成的振動噪聲，該研究可為電機(jī)總成的振動噪聲改善提供一種新思路。