控制器蓋板對電驅動總成噪聲影響研究

蔡志濤， 劉 勇， 李基芳， 季 祥， 劉福松

（中汽研新能源汽車檢驗中心（天津） 有限公司， 天津 300300）

噪聲是新能源汽車用電驅動總成的重要性能之一， 很大程度上影響新能源汽車的舒適性和整車品質。

電驅動總成是各類新能源汽車的動力核心， 一般包括驅動電機、 減速器和控制器。 根據產生的機理不同， 電驅動總成噪聲主要分為電磁力引起的電磁噪聲、 減速器齒輪嚙合噪聲以及控制器逆變電路產生的開關頻率噪聲。

隨著技術的發展， 電驅動總成越來越趨向于高轉速、高功率密度、 一體化、 集成化和輕量化設計， 但是這種發展趨勢必然導致電磁力幅值變大、 結構剛度變差， 引起振動、 噪聲性能惡化。

尤其控制器蓋板一般是面積較大的薄壁件， 當控制器和驅動電機、 減速器剛性連接時， 極易激發出控制器蓋板模態， 使其產生共振并輻射噪聲， 從而影響電驅動總成噪聲的情況。

模態是機械結構的固有特性， 每一階模態都具有特定的固有頻率、 陣型、 阻尼比等模態參數， 固有頻率和模態振型對振動噪聲的影響非常重要。

結構模態可以通過理論模態分析和試驗模態分析兩種方式獲取。 試驗模態分析基于線性振動理論， 通過測試結構上某些點的動態輸入力和輸出響應并計算頻響函數， 根據測試得到的頻響函數估計結構的頻率、 阻尼和振型。

1 某電驅動總成噪聲振動測試分析

1.1 噪聲測試方法

某電驅動總成是由永磁同步電機、 單級減速器和控制器組成的三合一總成， 在半消聲室內測試其噪聲、 振動性能。 按照實車設計狀態， 電驅動總成通過懸置和支撐工裝連接， 輸出半軸連接測功機傳動軸， 安裝示意圖如圖1所示。

圖1 電驅動總成安裝示意圖

參考QC/T 1132—2020 《電動汽車用電動動力系噪聲測量方法》 制定電驅動總成噪聲、 振動測試方法。 分別測試電驅動總成電動狀態和發電狀態下的噪聲、 振動， 測試工況見表1。

表1 測試工況

噪聲測點分別位于電驅動總成前方、 后方、 左方、 右方、 上方， 距離總成表面均為1m， 如圖2所示。

圖2 噪聲測點布置示意圖

為了便于噪聲源的識別與分析， 在控制器蓋板、 電機殼體、 輸入軸軸承、 中間軸軸承、 輸出軸軸承等位置布置三向加速度傳感器。

1.2 噪聲數據分析

以峰值扭矩加速工況測試數據為例， 分析該總成的噪聲測試數據。

圖3是電驅動總成上方1m處噪聲A計權聲壓級。 由圖可見， 聲壓級在1650r/min、 3600r/min、 6100r/min等電機轉速附近存在多個峰值， 嚴重影響電驅動總成的噪聲水平， 峰值大小分別為： 74.4dB（A）、 77.5dB（A）、 81.2dB（A）。

圖3 上方1m處噪聲聲壓級

圖4是上方1m處噪聲的頻譜圖， 圖中噪聲能量較大的除了電機階次噪聲 （“①” 標示階次）、 減速器階次噪聲（“②” 標示階次） 和控制器開關頻率噪聲 （“③” 標示階次） 外， 還存在一個明顯的共振帶 （“④” 標示區域）。 該共振帶頻率范圍約550～750Hz， 在整個測試轉速范圍內能量較高。

圖4 上方1m處噪聲頻譜

電機轉速1650r/min時， 第24階噪聲 （電機階次噪聲）頻 率 為660Hz、 第22 階 噪 聲 （減 速 器1 級 齒 輪 階 次 噪 聲）頻率為605Hz， 都在共振頻率范圍內。 同樣， 電機轉速3600r/min和6100r/min時， 共振頻率范圍內也存在主要的電機或減速器階次噪聲。

計算上述轉速噪聲的頻譜圖， 頻率分布見圖5。 3條頻譜曲線在共振帶 （550～750Hz） 范圍內噪聲最大， 共振帶內均方根值分別為73.7dB（A）、 77.1dB（A）、 80.8dB（A）， 接近對應轉速的聲壓級。

圖5 不同轉速噪聲頻譜

根據以上分析可知， 圖3中各個轉速下的聲壓級峰值是由于噪聲在頻域上存在550～750Hz的共振， 并且電機階次噪聲或減速器階次噪聲在共振帶內顯著變大而引起的。

1.3 振動數據分析

計算峰值扭矩加速工況各個振動測點的振動加速度頻譜， 其中控制器蓋板法向振動在500～1500Hz有多個不同程度的共振帶， 見圖6。 最明顯的共振頻率范圍550～750Hz，和總成上方1m處噪聲共振頻率相吻合。

圖6 控制器蓋板法向振動頻譜

其它測點振動基本沒有發生共振， 因此推斷控制器蓋板由電機或減速器激勵發生共振并輻射噪聲， 對總成上方1m處噪聲產生較大影響。

2 控制器蓋板模態測試分析

為了研究控制器蓋板對電驅動總成噪聲的影響， 對控制器蓋板進行模態測試分析。

模態測試分析系統包括激振系統、 響應拾振系統和模態分析處理系統3部分。 力錘是最常用的激振系統之一， 一般由剛性質量塊 （包括可更換的質量塊）、 力傳感器、 錘頭組成。 力錘激振最重要的優點是沒有附加質量， 不會影響樣件的動特性， 特別適用于質量較輕、 剛度較大的結構。本文使用的模態測試分析系統為力錘、 三向加速度傳感器、Siemens SCM2E05數采、 Simcenter Impact Testing測試分析軟件等。

模態測試試驗結果和樣件支撐條件息息相關， 常用的支撐條件有： 自由支撐和實際狀態支撐。 自由支撐采用彈性繩或空氣彈簧懸掛或支撐樣件， 模擬無阻尼、 自由狀態，要求樣件作為剛體與彈性裝置組成的懸掛或支撐系統最高剛體模態頻率不大于樣件本身一階彈性模態頻率的1/10；實際狀態支撐是結構在工作狀態下的動態特性， 更具實際意義， 因此模態測試在圖1安裝狀態下進行。

根據控制器蓋板形狀，均勻選擇14個測點建立幾何模型， 如圖7所示。 三向振動傳感器布置在其中一點， 采用移動力錘激勵、固定傳感器拾振的方式測試。 力錘激勵方向為控制器蓋板法向， 振動傳感器測試3個方向的響應， 分析頻率范圍為0～3000Hz。

圖7 控制器蓋板模態測試模型

為確保模態測試結果準確， 測試過程中檢查力錘輸入力自功率譜、 相干函數等數據， 要求分析頻帶內力自功率譜平坦、 光滑， 相干函數清晰、 不雜亂， 絕大多數相干函數不低于0.9。 控制器蓋板模態測試結果見表2。

表2 模態測試結果

由測試結果可知， 控制器蓋板第1階彎曲模態共振頻率是657.27Hz， 進一步驗證了控制器蓋板發生共振并輻射噪聲， 影響總成上方1m處噪聲的結論。

3 控制器蓋板結構優化及驗證

控制器蓋板一般面積大、 厚度小， 因此剛度相對較小，受到激振時固有頻率較低的模態更容易被激發。 提高此類薄殼件剛度最有效的方法是在振動較大部分增加加強筋和提高厚度。

由前文分析可知， 控制器蓋板1階彎曲模態對電驅動總成噪聲影響較大， 根據1階模態振型， 對蓋板結構進行修改。 設計兩種優化方案如下。

1） 方案1， 控制器蓋板增加加強筋， 厚度不變。

2014年，廣東省水利工作將認真貫徹黨的十八屆三中全會精神，堅持以改革創新為動力，以民生水利為抓手，推動區域水利協調發展，為廣東實現“三個定位、兩個率先”提供更有力的水利支撐。

2） 方案2， 控制器蓋板厚度增加50%。

電驅動總成分別更換方案1、 方案2控制器蓋板， 重復測試表1中的峰值轉矩加速工況， 和更換控制器蓋板之前（以下稱為 “原方案”） 的噪聲對比， 驗證兩種優化方案對電驅動總成噪聲的影響。

3.1 方案1對噪聲的影響

圖8是原方案和方案1上方1m處噪聲聲壓級對比， 由圖可見， 控制器蓋板增加加強筋后聲壓級明顯降低。 在1650r/min、3600r/min、6100r/min等峰值處分別降低7.3dB（A）、7.9dB（A）、5.0dB（A）；在測試轉速范圍內，平均下降2.8dB（A）。

圖8 上方1m處噪聲聲壓級對比 （方案1）

圖9是兩種方案上方1m處噪聲頻譜對比， 550～750Hz范圍內的共振基本消失。

圖9 上方1m處噪聲頻譜對比 （方案1）

圖10是兩種方案控制器蓋板法向振動頻譜對比， 方案1的振動頻譜雖然也存在共振， 但是較原方案的共振頻率提高， 振動幅值變小， 對電驅動總成的噪聲基本無影響。

圖10 控制器蓋板法向振動頻譜

3.2 方案2對噪聲的影響

對比分析方案2控制器蓋板對電驅動總成噪聲的影響，見 圖11。 上 方1m 處 噪 聲 聲 壓 級 在1650r/min、 3600r/min、6100r/min等峰值處分別降低9.8dB（A）、 7.1dB（A）、 6.4dB（A）；在測試轉速范圍內， 平均下降4.0dB（A）， 降噪效果優于方案1。 方案2噪聲頻譜上也沒有明顯的共振問題， 見圖12。

圖11 路邊物體檢測

圖11 上方1m處噪聲聲壓級對比 （方案2）

圖12 上方1m處噪聲頻譜對比 （方案2）

4 結論

本文測試分析了某電驅動總成峰值轉矩加速工況噪聲，其上方1m處噪聲聲壓級存在多個峰值， 頻域上550～750Hz共振明顯。 對比分析振動數據， 發現控制器蓋板法向振動存在相同頻率共振。 進而測試了控制器蓋板模態， 一階彎曲模態為657.27Hz， 是引起上述噪聲問題的原因。 根據模態陣型， 提出控制器蓋板增加加強筋和提高厚度兩種優化方案。 分別驗證兩種方案對電驅動總成噪聲的影響， 得出以下結論。

1） 控制器蓋板增加加強筋后， 由于剛度提高， 未發生明顯共振。 電驅動總成上方1m 處噪聲聲壓級平均降低2.8dB（A）， 最大降低7.9dB（A）， 噪聲改善效果明顯。

2） 控制器蓋板厚度提高50%后， 電驅動總成上方1m處噪聲聲壓級平均降低4.0dB（A）， 最大降低9.8dB（A）。

兩種方案都是通過提高控制器蓋板剛度和模態頻率，避免或減輕結構共振達到降低噪聲的目的。 本文基于快速驗證的目的， 提出兩種方案， 方案2降噪效果優于方案1，但是總成質量增加更多。 后續從噪聲、 輕量化等多個維度優化設計， 提出了更佳的改進方案。