高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)計(jì)

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(dòng)系統(tǒng)的NVH（Noise、Vibration、Harshness）測試主要指的是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪聲、振動(dòng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的測試，目前國內(nèi)電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)NVH測試的結(jié)果與以下因素有關(guān)系：

（1）被測電機(jī)本體參數(shù)，包括電機(jī)的極對(duì)數(shù)、齒槽數(shù)、電機(jī)殼體與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的固有共振頻率等；

（2）電機(jī)控制器的開關(guān)頻率；

（3）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)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(gè)性能優(yōu)異的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室可以為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測試提供一個(gè)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(diǎn)討論如何進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)NVH實(shí)驗(yàn)室的工藝設(shè)計(jì)。

1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測試流程介紹

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測試流程如下：

（1）首先需準(zhǔn)備好電機(jī)及電機(jī)控制器（以下簡稱電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)臺(tái)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(hào)采集電纜、風(fēng)球、噪聲和振動(dòng)校準(zhǔn)器等；

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

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

（4）保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)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(jì)要求；

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

（6）讓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在試驗(yàn)大綱要求的試驗(yàn)工況下，并用數(shù)據(jù)采集軟件記錄噪聲及振動(dòng)測試數(shù)據(jù)；

（7）對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲及振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析，試驗(yàn)結(jié)束。

2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案對(duì)比

根據(jù)調(diào)研分析，本文對(duì)現(xiàn)有的三種主流電驅(qū)動(dòng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案進(jìn)行了性能對(duì)比。

如圖1所示，方案A的結(jié)構(gòu)形式是電驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是：

圖1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案A

（1）其聲學(xué)材料主要采用非對(duì)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架傳動(dòng)軸系可采用短軸形式，傳動(dòng)軸系整體長度不超過1.0 m，臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)的NVH測試和動(dòng)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(diǎn)是：

圖2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)的測量中心為半消聲室的中心位置，因此電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架需采用碳纖維長軸形式，臺(tái)架的整體傳動(dòng)軸系需達(dá)到2.0 m以上，傳動(dòng)軸系的一階模態(tài)共振轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，故臺(tái)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室的地面，電驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是：

圖3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的安裝端面不能安裝聲學(xué)材料，需對(duì)該部分的背景噪聲和環(huán)境噪聲進(jìn)行參數(shù)修正，對(duì)聲學(xué)測量精度有一定影響；

（3）臺(tái)架的整體軸系不超過1.0 m，臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)的NVH測試需求，也可滿足電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(tái)架性能指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。

3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)聲功率的測試需求。考慮新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪聲頻率多為500～7 000 Hz的高頻率單調(diào)音，同時(shí)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(shí)的背景噪聲為20dB（A），僅開啟空調(diào)時(shí)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(jí)精度的半球法，ΔL≥10 dB。通過選取合適的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總噪聲平均值，可以計(jì)算出電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架在各位置各轉(zhuǎn)速下的背景噪聲限值要求。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架噪聲限值測試麥克風(fēng)布置圖（俯視圖）

圖5 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)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(jí)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(jī)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(shí)，自由聲場的允許偏差≤±1.5 dB；在中心頻率＞800 Hz時(shí)，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(dòng)源會(huì)對(duì)聲學(xué)測試精度造成一定影響，如測功機(jī)間運(yùn)行中的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架等設(shè)備。為了隔斷其他設(shè)備通過地面?zhèn)鱽淼恼駝?dòng)，半消聲室需置于隔振系統(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(dòng)系統(tǒng)體積≤0.22 m3；

（2）為了減少頻率簡并對(duì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，對(duì)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(diǎn)原則，可以計(jì)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(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架組成及關(guān)鍵參數(shù)確定，臺(tái)架主要由永磁同步測功機(jī)、變頻柜、扭矩傳感器、測功機(jī)隔音降噪裝置、高速傳動(dòng)軸系、電池模擬器、電驅(qū)冷卻液溫控系統(tǒng)以及臺(tái)架上位機(jī)控制軟件組成。考慮未來電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往高轉(zhuǎn)速、高電壓平臺(tái)、高功率密度、高度集成化、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)方向發(fā)展，最終確定本文中的臺(tái)架的峰值穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，額定扭矩為500 N·m，臺(tái)架的轉(zhuǎn)速控制精度為±1 r/min，臺(tái)架的轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力為8 000 r/s。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的聲學(xué)性能指標(biāo)、臺(tái)架性能指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。然后對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的主要工藝參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，最終確定了半消聲室及高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架的主要參數(shù)指標(biāo)，為高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH系統(tǒng)測試夯實(shí)了基礎(chǔ)。