某款混動電動汽車低速粗糙異音分析及研究

摘" 要：針對某款混合動力汽車在純電模式下進(jìn)行20%小油門開度低速行駛時(shí)，駕駛室內(nèi)可以清晰識別機(jī)艙前部有粗糙異音產(chǎn)生。通過整車測試和頻譜分析，確認(rèn)該異音主要來源于混動變速箱前驅(qū)動電機(jī)側(cè)。結(jié)合永磁同步電機(jī)噪聲機(jī)理分析和總成EOL臺架試驗(yàn)對比，進(jìn)一步判斷該異音主要由24階次及其倍頻構(gòu)成（電機(jī)構(gòu)型為8極48槽），且在特定電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間及頻率區(qū)間呈現(xiàn)耦合現(xiàn)象，即粗糙特征。后期通過對電機(jī)定子的設(shè)計(jì)優(yōu)化，焊接及絕緣漆工藝改善，諧波注入優(yōu)化，經(jīng)過整車多輪測試比對，基本消除了低速粗糙異音，車內(nèi)聲品質(zhì)得到明顯改善和提升。

關(guān)鍵詞：混動變速箱；噪聲；永磁同步電機(jī)；形位公差；諧波注入

中圖分類號：TM351" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0002-07

Analysis and Research of Low-speed Rough Abnormal Noise of a PHEV

FAN Peng， BI Shuai， DU Mei-rong， ZHAO Xin-hui， WANG Hai-bin

（ Lantu Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： For a hybrid vehicle， when driving at low speed with 20% small throttle opening in the EV mode， the rough abnormal noise in the front of the cabin can be clearly identified. Through vehicle testing and spectrum analysis， it was confirmed that the abnormal noise mainly came from the front drive motor side of the hybrid gearbox. Combined with the noise mechanism analysis of the permanent magnet synchronous motor and the comparison of the EOL bench test， it is further judged that the abnormal noise is mainly composed of 24th order and its frequency doubling order （The drive motor is 8 poles and 48 slots）， and the coupling phenomenon is shown in the specific motor speed range and frequency range. Through the design optimization of the motor stator， the improvement of welding process， adoption of the harmonic injection， after several rounds of vehicle testing， the low-speed rough abnormal noise was basically eliminated， and the NVH performance was significantly improved.

Key Words： Hybrid Gearbox; Noise; Permanent Magnet Synchronous Motor; Form and Position Tolerance; Harmonic Injection

引" " 言

當(dāng)前基于國家對碳中和、碳達(dá)峰的發(fā)展戰(zhàn)略要求，以及國家補(bǔ)貼政策的積極引導(dǎo)，新能源汽車增長呈現(xiàn)蓬勃態(tài)勢，尤其混合動力電動汽車成為了新能源汽車快速發(fā)展的重要支柱。消費(fèi)者除了關(guān)注混合動力汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、消費(fèi)成本之外，相比較傳統(tǒng)燃油車，NVH聲品質(zhì)也已成為關(guān)注點(diǎn)之一。因此對于混動系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的振動和噪聲問題也已成為當(dāng)下新能源汽車開發(fā)及研究的熱點(diǎn)。

整車NVH問題一般從激勵(lì)源、傳遞路徑、響應(yīng)三個(gè)方面進(jìn)行綜合分析。其中對于傳遞路徑的NVH性能管控主要從系統(tǒng)模態(tài)、動靜剛度、傳遞函數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，但必然會帶來開發(fā)費(fèi)用增加和周期延長。

本文結(jié)合實(shí)際案例從驅(qū)動電機(jī)的噪音激勵(lì)源入手進(jìn)行分析及優(yōu)化，針對某款混動電動汽車在10km/h～35km/h低速純電20%小油門工況下的粗糙異音為切入點(diǎn)，以雙電機(jī)混動變速箱為主要研究對象，通過對噪音頻譜采集及構(gòu)成進(jìn)行分析，并對異音產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行判斷，初步認(rèn)定該異音主要由24階次及其倍頻階次構(gòu)成，且在特定電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間及頻率區(qū)間呈現(xiàn)耦合現(xiàn)象，即粗糙特征。

后續(xù)通過對電機(jī)定子的設(shè)計(jì)參數(shù)、制造工藝、軟件控制進(jìn)行改善優(yōu)化，并進(jìn)行臺架及整車充分驗(yàn)證，該低速粗糙異音特征基本消失，整車的NVH聲品質(zhì)得到了明顯的改善。

1" " 整車噪聲測試及源分析

1.1" "DHT混動變速箱基本構(gòu)成

該混動汽車搭載的為一款P1+P3混動變速箱，其中P1為發(fā)電機(jī)，在整車低SOC或高能工況下進(jìn)行補(bǔ)電供能。P3電機(jī)為前驅(qū)動電機(jī)總成，通過軸齒與差速器及前軸總成形成機(jī)械連接，為整車提供行駛動能（如圖1），其中P1/P3電機(jī)極對數(shù)均為4，定子槽數(shù)均為48槽。

該混動變速箱為當(dāng)前主流技術(shù)構(gòu)型，在機(jī)艙有限的空間內(nèi)，通過P1/P3電機(jī)以及發(fā)動機(jī)匹配，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)增程，并聯(lián)直驅(qū)等多種工作模式，因此主要基于混動變速箱進(jìn)行該NVH問題分析。

1.2" "整車噪聲測試及分析

通過整車布點(diǎn)NVH客觀測試分析，該噪音主要在整車EV模式下20%POT小油門加速過程中出現(xiàn)，呈現(xiàn)電機(jī)異常嘯叫。而在REV串聯(lián)發(fā)電工況，異音識別度相對EV模式較低，故重點(diǎn)解析EV模式。

如表1所示，該異音在10km/h-13km/h，30km/h-35km/h車速段均會有粗糙異音產(chǎn)生，對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為500-1800rpm，且均為小于50N·m低扭矩工況。

基于整車及臺架NVH頻譜瀑布圖分析判斷，抱怨工況時(shí)P3前驅(qū)動電機(jī)24/48/72階次凸顯。且在特定頻率段（250Hz/500Hz/800Hz）存在共振帶耦合現(xiàn)象，即表現(xiàn)粗糙特征（如圖2、圖3）。

對比整車和電機(jī)的噪聲瀑布圖特征，明確整車POT工況下駕駛員內(nèi)耳粗糙噪聲主要由前驅(qū)動電機(jī)引起。

2" " FTA故障樹分析

2.1" "FTA故障樹

一般而言，對于電機(jī)的階次噪音其激勵(lì)源通常由定轉(zhuǎn)子的諧波磁場相互作用導(dǎo)致。當(dāng)在特定工況下驅(qū)動電機(jī)本體激勵(lì)偏大，且與對應(yīng)的定轉(zhuǎn)子及殼體模態(tài)接近時(shí)，會導(dǎo)致階次耦合引起共振噪音。

另外對于噪音的傳遞路徑，也需要同步考慮電機(jī)殼體、齒輪、驅(qū)動軸以及動力總成懸置的模態(tài)耦合，從而引起異音（如圖4）。

基于上述判斷，現(xiàn)羅列出相關(guān)FTA故障樹分析，并對潛在失效模式進(jìn)行逐項(xiàng)排查，并給出了要因分析方向（如表2）。

2.2" "潛在失效因素排查

2.2.1 設(shè)計(jì)因素

齒輪23階次與電機(jī)24階次臨近，可能存在階次耦合干擾，但是對于該問題并非全轉(zhuǎn)速段抱怨，且粗糙音抱怨率只有0.09%，因此判斷為非主因。而對于電機(jī)轉(zhuǎn)子采用8段磁餅加V型斜極方案，通過EOL大數(shù)據(jù)及NVH臺架數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)斜極方案較非斜極方案在電機(jī)低轉(zhuǎn)速段對應(yīng)48階次振動偏大，懷疑為影響因素。

2.2.2 驅(qū)動電機(jī)定、轉(zhuǎn)子尺寸超差

通過復(fù)測存在粗糙異音的電機(jī)定子尺寸，其中平面度、定子固定螺栓安裝孔的孔徑、位置度均有超差。復(fù)測粗糙音電機(jī)轉(zhuǎn)子動不衡量，實(shí)測為2g·cm超過設(shè)計(jì)要求≤1.5g·cm。

2.2.3 整機(jī)裝配一致性

a）復(fù)測問題樣機(jī)的電機(jī)定子螺栓安裝力矩38N.m，滿足設(shè)計(jì)要求37±2N·m。

b）排查裝機(jī)履歷確認(rèn)轉(zhuǎn)子總成壓裝力滿足設(shè)計(jì)要求10.6kN～58.6kN。

c）排查裝機(jī)履歷確認(rèn)驅(qū)動電機(jī)輸入軸的左右軸承壓裝力滿足設(shè)計(jì)要求，左軸承2～15kN，右軸承4～22kN。

2.2.4 齒輪側(cè)隙超差

將故障樣機(jī)進(jìn)行拆解，測量EV齒輪的跨棒距并計(jì)算齒輪側(cè)隙，其中一級齒輪側(cè)隙為0.096mm，二級齒輪側(cè)隙為0.125mm，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.08mm～0.12mm。

2.2.5 電流諧波及三相電流不平衡

采集粗糙音樣箱MCU電流傳感器CAN信號以確認(rèn)三相電流平衡，并進(jìn)行低頻諧波注入、電流環(huán)開和關(guān)的驗(yàn)證，粗糙音有相應(yīng)輕微變化。

2.2.6 模態(tài)耦合共振

確認(rèn)EV齒輪系模態(tài)為272Hz非故障頻率段250Hz。另外通過在雙電機(jī)本體和車輛輪心布置振動傳感器，實(shí)車確認(rèn)驅(qū)動軸及軸端無粗糙異音特征，判斷本體激勵(lì)由被動端懸置傳遞至車內(nèi)。

綜合上述各因素排查，可得出如下結(jié)論：

要因：驅(qū)動電機(jī)定、轉(zhuǎn)子一致性超差，導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)電磁氣隙波動，電磁力激勵(lì)異常，并在特定轉(zhuǎn)速段引起粗糙異音。

次要因：電機(jī)轉(zhuǎn)子斜極方案較非斜極方案，在低轉(zhuǎn)速段存在振動偏大現(xiàn)象，對粗糙異音存在貢獻(xiàn)。

3" " 電機(jī)粗糙異音分析

3.1" "電機(jī)定轉(zhuǎn)子一致性排查

對于驅(qū)動電機(jī)定子總成，通過螺栓與左殼體進(jìn)行固定，以確保與轉(zhuǎn)子間的電磁氣隙。其中定子總成安裝面平面度（0.3mm），軸線垂直度（0.3mm），安裝孔位置度（0.08mm）為影響氣隙的關(guān)鍵特性（如圖5）。

對返回故障箱的定子進(jìn)行一致性檢測，發(fā)現(xiàn)上述關(guān)鍵特性均有超差（如表3）。

同時(shí)對同一批次的定子關(guān)鍵特性進(jìn)行抽查，判斷均有超差（如圖6），統(tǒng)計(jì)不合格率與整車下線檢測結(jié)果相當(dāng)。另外針對故障電機(jī)轉(zhuǎn)子總成的動不平衡量檢測也有超差，實(shí)測為2g·cm（設(shè)計(jì)值≤1.5g·cm）。

將故障樣箱與正常樣箱進(jìn)行定子互換，通過EOL臺架對比測試，在70rpm～200rpm區(qū)間內(nèi)整體噪音幅值降低約5-15dB（m）（如圖7），同時(shí)跟蹤整車無粗糙異音再現(xiàn)。

3.2" "電機(jī)轉(zhuǎn)子斜極影響因素排查

該混動變速箱在基礎(chǔ)樣箱上進(jìn)行了電機(jī)轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化，主要變更點(diǎn)為V型斜極及轉(zhuǎn)子表面開輔助槽（如圖8）。該斜極優(yōu)化方案對于電機(jī)高轉(zhuǎn)速嘯叫具有明顯的改善效果，在WOT轉(zhuǎn)速gt;4000rpm工況下整體改善24階次、48階次噪音約5-15dB（A），但在低轉(zhuǎn)速1500rpm以下48階次超出目標(biāo)線約10dB（A） ，3000rpm以下24階次超出目標(biāo)線約10-15dB（A）（如圖9）。

同時(shí)對斜極轉(zhuǎn)子樣機(jī)和非斜極轉(zhuǎn)子樣機(jī)進(jìn)行EOL臺架大數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速低扭矩工況下，非斜極樣機(jī)的24階次噪音幅值普遍較斜極樣機(jī)偏低（如圖10），故判斷轉(zhuǎn)子斜極方案對于低速粗糙異音存在貢獻(xiàn)因素。

4" " 改善方案

4.1" "定子總成工藝改善

通過現(xiàn)場工藝排查，當(dāng)前定子鐵芯的硅鋼片為氬弧焊接，由于熱應(yīng)力部分集中，導(dǎo)致安裝面的平面度難以保證，甚至部分疊層有翹片現(xiàn)象（如圖11）。同時(shí)當(dāng)前定子總成嵌線后采用傳統(tǒng)的浸漆工藝，導(dǎo)致定子總成表面有大量的漆瘤（如圖12），且通過工裝很難清理干凈，對后續(xù)裝配工藝一致性難以保證，影響氣隙的均一性，甚至工裝在清理漆瘤過程中存在破壞絕緣層的風(fēng)險(xiǎn)。

針對上述問題，現(xiàn)將定子總成硅鋼片焊接調(diào)整為激光焊接，同時(shí)采用滴漆工藝進(jìn)行絕緣（如圖13、圖14）。通過測試比對，上述工藝應(yīng)用后定子總成的關(guān)鍵特性指標(biāo)有明顯改善，硅鋼片焊接面致密性好，且定子裝配面光潔無明顯凸起漆瘤，滿足設(shè)計(jì)要求。

如表4、圖15所示，通過增加定子的激光焊接及滴漆工藝，對于安裝面的平面度、中心垂直度、安裝孔位置度均有較好改善，一致性表現(xiàn)較好（樣本數(shù)量N=30）。

4.2" "低速諧波注入

如前所述，在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)入V型斜極后盡管可以有效抑制24階次、48階次的高轉(zhuǎn)速嘯叫異音，但是對于低轉(zhuǎn)速1500rpm工況下仍有超標(biāo)現(xiàn)象。對此考慮通過驅(qū)動電機(jī)控制器注入電流諧波，來抑制電機(jī)在特定階次下的電磁噪聲，諧波注入原理如圖16所示：

通過控制器諧波注入臺架標(biāo)定，驅(qū)動電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的電流諧波得到了有效抑制，電機(jī)24/48階次噪聲在2000rpm以下20%油門低速段不同轉(zhuǎn)速范圍改善5-15dB（A），整車驗(yàn)證電機(jī)階次嘯叫改善明顯，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)（如圖17所示）。

4.3" "轉(zhuǎn)子動不平衡優(yōu)化

對于轉(zhuǎn)子的動不平衡量設(shè)計(jì)要求控制在1.5g·cm以內(nèi)，一般通過對轉(zhuǎn)子端蓋去重來實(shí)現(xiàn)，如果超標(biāo)會使系統(tǒng)共振幅值增大，如果轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速比較靠近其系統(tǒng)自振頻率處的共振點(diǎn)時(shí)，少量的不平衡振動會增大數(shù)倍，不僅影響NVH甚至對整機(jī)的性能帶來風(fēng)險(xiǎn)。

為進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)子總成下線一次性合格率，現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的動平衡采用自動一體化去重檢測設(shè)備（如圖18），有效提升了轉(zhuǎn)子整體的合格率。

5" " 整車驗(yàn)證

結(jié)合上述對驅(qū)動電機(jī)的低速粗糙異音分析，基本鎖定異音與電機(jī)24階次及其倍頻關(guān)聯(lián)，通過對電機(jī)定轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵特性、制造工藝、下線檢測進(jìn)行了全面的工藝優(yōu)化，同時(shí)也對電機(jī)控制器進(jìn)行了諧波注入的軟件優(yōu)化。后續(xù)將多臺受控混動變速箱進(jìn)行裝車驗(yàn)證，通過實(shí)車評估低速粗糙異音弱化明顯，主觀基本不可識別，滿足NVH性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（如圖19所示）。

6" " 結(jié)論

本文基于混動電動汽車為研究對象，針對低速行駛時(shí)的粗糙異音，通過對其主要噪聲源—混動變速箱驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝改善，結(jié)合臺架及整車性能驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）通過測試采樣聲壓圖和瀑布圖綜合分析，以及結(jié)合永磁同步電機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析，確認(rèn)該粗糙異音主要由電機(jī)的階次噪聲構(gòu)成。

（2）針對噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，提出了電機(jī)定轉(zhuǎn)子關(guān)鍵特性的工藝控制優(yōu)化和電機(jī)控制器的諧波注入軟件優(yōu)化方案。結(jié)合臺架及整車性能驗(yàn)證，上述優(yōu)化方案不僅可以明顯改善粗糙異音特征，同時(shí)也給其它類似混動變速箱NVH問題提供了優(yōu)化方向及參考依據(jù)。

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專家推薦語

吳杰余

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

新能源汽車總師" 研究員級高級工程師

該文針對混合動力車小油門低速EV工況NVH問題，完成電機(jī)低速粗糙異音FTA故障樹分析和潛在失效因素排查，判斷該異音主要由24階次及其倍頻構(gòu)成，給出設(shè)計(jì)、控制、制造等方面的改善措施并驗(yàn)證效果良好。為類似混合動力總成NVH改善提供了優(yōu)化方向及參考依據(jù)。