高性能電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室工藝設(shè)計

馮旭翀 劉 淵 鄧劍波

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

0 引言

電驅(qū)動系統(tǒng)的NVH（Noise、Vibration、Harshness）測試主要指的是電驅(qū)動系統(tǒng)的噪聲、振動和結(jié)構(gòu)強度的測試，目前國內(nèi)電驅(qū)動系統(tǒng)的NVH測試方法主要參考QC/T 1132—2020[1]和GB/T 18488.2—2015[2]進(jìn)行。而電驅(qū)動系統(tǒng)NVH測試的結(jié)果與以下因素有關(guān)系：

（1）被測電機本體參數(shù)，包括電機的極對數(shù)、齒槽數(shù)、電機殼體與電機轉(zhuǎn)軸的固有共振頻率等；

（2）電機控制器的開關(guān)頻率；

（3）電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架及半消聲室產(chǎn)生的背景噪聲等；

（4）麥克風(fēng)、聲學(xué)電纜等測量儀器的測試精度等。

因此，一個性能優(yōu)異的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室可以為電驅(qū)動系統(tǒng)NVH測試提供一個良好的測試環(huán)境，協(xié)助研發(fā)工程師迅速定位NVH問題產(chǎn)生的根本原因。本文將重點討論如何進(jìn)行電驅(qū)動NVH實驗室的工藝設(shè)計。

1 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH測試流程介紹

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH測試流程如下：

（1）首先需準(zhǔn)備好電機及電機控制器（以下簡稱電驅(qū)動系統(tǒng)）NVH測試所需要的測量儀器及設(shè)備，包括且不限于高性能電驅(qū)動系統(tǒng)臺架、半消聲室、數(shù)據(jù)采集儀、麥克風(fēng)、加速度傳感器、絕緣低噪聲電纜、CAN信號采集電纜、風(fēng)球、噪聲和振動校準(zhǔn)器等；

（2）準(zhǔn)備NVH測試用的電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架和半消聲室，保證臺架及半消聲室所產(chǎn)生的背景噪聲至少比電驅(qū)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲低10 dB[3]；

（3）保證高性能電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架以及麥克風(fēng)等聲學(xué)測量設(shè)備正常運行，并符合GB/T 6882—2016[4]中11.5的1級精度要求；

（4）保證電驅(qū)動系統(tǒng)在電動和發(fā)電狀態(tài)下的峰值扭矩、峰值功率、持續(xù)扭矩、持續(xù)功率滿足設(shè)計要求；

（5）參考QC/T 1132—2020附錄B，在電驅(qū)動系統(tǒng)周邊的指定位置進(jìn)行麥克風(fēng)和振動傳感器測量點的布置；

（6）讓電驅(qū)動系統(tǒng)運行在試驗大綱要求的試驗工況下，并用數(shù)據(jù)采集軟件記錄噪聲及振動測試數(shù)據(jù)；

（7）對電驅(qū)動系統(tǒng)噪聲及振動數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析，試驗結(jié)束。

2 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室建設(shè)方案對比

根據(jù)調(diào)研分析，本文對現(xiàn)有的三種主流電驅(qū)動NVH實驗室建設(shè)方案進(jìn)行了性能對比。

如圖1所示，方案A的結(jié)構(gòu)形式是電驅(qū)動系統(tǒng)的安裝端面為反射面，其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場。該結(jié)構(gòu)的特點是：

圖1 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室建設(shè)方案A

（1）其聲學(xué)材料主要采用非對稱吸聲結(jié)構(gòu)或?qū)掝l復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu)；

（2）由于電驅(qū)動系統(tǒng)的安裝端面為反射面，沒有安裝吸聲材料，故電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架傳動軸系可采用短軸形式，傳動軸系整體長度不超過1.0 m，臺架的峰值轉(zhuǎn)速可達(dá)到20 000 r/min，可滿足高性能電驅(qū)動系統(tǒng)的NVH測試和動態(tài)響應(yīng)測試需求；

（3）半消聲室的建設(shè)尺寸最小，建設(shè)成本最低。

如圖2所示，方案B的結(jié)構(gòu)形式是半消聲室的反射面為半消聲室的地面，其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場。該結(jié)構(gòu)的特點是：

圖2 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室建設(shè)方案B

（1）其聲學(xué)材料既可以采用尖劈吸聲結(jié)構(gòu)，也可以采用寬頻復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu)；

（2）由于電驅(qū)動系統(tǒng)的測量中心為半消聲室的中心位置，因此電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架需采用碳纖維長軸形式，臺架的整體傳動軸系需達(dá)到2.0 m以上，傳動軸系的一階模態(tài)共振轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，故臺架的峰值轉(zhuǎn)速不能超過16 000 r/min，不能滿足高性能電驅(qū)動系統(tǒng)的測試需求；

（3）半消聲室的建設(shè)尺寸最大，建設(shè)成本最高。

如圖3所示，方案C的結(jié)構(gòu)形式是半消聲室的反射面為實驗室的地面，電驅(qū)動系統(tǒng)的安裝端面為無聲學(xué)材料的楔形結(jié)構(gòu)，其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場。該結(jié)構(gòu)的特點是：

圖3 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室建設(shè)方案C

（1）由于受聲學(xué)結(jié)構(gòu)限制，聲學(xué)材料只能采用寬頻復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu)；

（2）電驅(qū)動系統(tǒng)的聲學(xué)測量中心為半消聲室的中心位置，但由于電驅(qū)動系統(tǒng)的安裝端面不能安裝聲學(xué)材料，需對該部分的背景噪聲和環(huán)境噪聲進(jìn)行參數(shù)修正，對聲學(xué)測量精度有一定影響；

（3）臺架的整體軸系不超過1.0 m，臺架的峰值轉(zhuǎn)速可達(dá)到20 000 r/min，既可滿足高速電驅(qū)動系統(tǒng)的NVH測試需求，也可滿足電驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)測試需求；

（4）半消聲室的建設(shè)尺寸中等，建設(shè)成本中等。

綜合考慮聲學(xué)性能指標(biāo)、臺架性能指標(biāo)、實驗室的建設(shè)成本等因素，最終選擇方案A作為本次高性能電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室的建設(shè)方案。

3 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室工藝參數(shù)確定

本文中的半消聲室參數(shù)需滿足GB/T 3767—2016[5]中使用半球法測量電驅(qū)動系統(tǒng)聲功率的測試需求。考慮新能源電驅(qū)動系統(tǒng)的噪聲頻率多為500～7 000 Hz的高頻率單調(diào)音，同時參考QC/T 1132—2020中第4.1.2條建議的測試頻率范圍為中心頻率100～20 000 Hz（1/3倍頻帶），考慮一定的測量余量，本文中的半消聲室噪聲測量截止頻率選擇為63 Hz。

背景噪聲確定，半消聲室在所有設(shè)備停止工作時的背景噪聲為20dB（A），僅開啟空調(diào)時背景噪聲為25dB（A）。參考QC/T 1132—2020中第4.2條表2內(nèi)容，測試方法為1級精度的半球法，ΔL≥10 dB。通過選取合適的電驅(qū)動系統(tǒng)總噪聲平均值，可以計算出電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架在各位置各轉(zhuǎn)速下的背景噪聲限值要求。電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架噪聲限值測試麥克風(fēng)布置如圖4所示，具體噪聲限值如圖5所示。

圖4 電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架噪聲限值測試麥克風(fēng)布置圖（俯視圖）

圖5 電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架在各轉(zhuǎn)速下的背景噪聲限值要求

半消聲室自由場半徑確定，參考GB/T 6882—2016[5]中8.2的相關(guān)要求，測量半徑r≥λ/4和0.75 m中的較大者，其中λ為聲波波長，由于半消聲室的最低測量頻率為63 Hz，由公式λ=c/f（c為聲波在空氣中的傳播速度，f 為聲波頻率）可得其聲波波長λ=c/f=（340 m/s）/63 Hz≈5.4 m，測量半徑r≥λ/4=5.4 m/4=1.35 m，考慮一定的測量余量，取半消聲室的自由場半徑r=1.5 m。

半消聲室自由聲場測得的聲壓級與平方反比定律理論值的最大允許偏差確定，參考GB/T 6882—2016以及歐洲主流主機廠的半消聲精度測量標(biāo)準(zhǔn)，確定其自由場偏差如下：在中心頻率≤630 Hz時，自由聲場的允許偏差≤±1.5 dB；在中心頻率＞800 Hz時，自由聲場的允許偏差≤±1.0 dB。

半消聲室隔振參數(shù)確定，半消聲室周邊的其他設(shè)備振動源會對聲學(xué)測試精度造成一定影響，如測功機間運行中的電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架等設(shè)備。為了隔斷其他設(shè)備通過地面?zhèn)鱽淼恼駝樱胂暿倚柚糜诟粽裣到y(tǒng)之上，隔振系統(tǒng)的固有頻率需≤10 Hz，隔振效率≥95%，減振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性形變的載荷范圍應(yīng)該比較寬，最大可用載荷應(yīng)是最小可用載荷的5倍。

半消聲室的內(nèi)部尺寸確定，參考GB/T 3767—2016的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，有以下4條原則：

（1）最低的1/3倍頻程中心頻率為63 Hz的半消聲室，其半消聲室的最小體積應(yīng)≥200×聲源體積[6]，本文中測試的電驅(qū)動系統(tǒng)體積≤0.22 m3；

（2）為了減少頻率簡并對半消聲室聲場均勻性的影響，半消聲室內(nèi)房的長寬高尺寸比例應(yīng)不規(guī)則；

（3）半消聲室的最長限度Imax≤1.9 V1/3；

（4）考慮半消聲室存在回聲調(diào)制問題，需借助計算機輔助設(shè)計軟件，對半消聲室內(nèi)的聲學(xué)模態(tài)進(jìn)行抑制。

綜合考慮以上4點原則，可以計算出本文中半消聲室的內(nèi)房最優(yōu)尺寸為長×寬×高=4.9 m×7.5 m×7.1 m。

高性能電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架組成及關(guān)鍵參數(shù)確定，臺架主要由永磁同步測功機、變頻柜、扭矩傳感器、測功機隔音降噪裝置、高速傳動軸系、電池模擬器、電驅(qū)冷卻液溫控系統(tǒng)以及臺架上位機控制軟件組成。考慮未來電驅(qū)動系統(tǒng)往高轉(zhuǎn)速、高電壓平臺、高功率密度、高度集成化、高動態(tài)響應(yīng)方向發(fā)展，最終確定本文中的臺架的峰值穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，額定扭矩為500 N·m，臺架的轉(zhuǎn)速控制精度為±1 r/min，臺架的轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力為8 000 r/s。

4 結(jié)語

本文通過對比不同結(jié)構(gòu)形式的電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室的聲學(xué)性能指標(biāo)、臺架性能指標(biāo)、實驗室的建設(shè)成本等維度，最終選擇方案A作為本文中高性能電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室的建設(shè)方案。然后對電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室的主要工藝參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計算，最終確定了半消聲室及高性能電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架的主要參數(shù)指標(biāo)，為高性能電驅(qū)動系統(tǒng)NVH實驗室的建設(shè)以及電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系統(tǒng)測試夯實了基礎(chǔ)。