純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題的分析與優(yōu)化

　　陳士剛（奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　摘 要：針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題，根據(jù)對(duì)整車(chē)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)聲品質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)及實(shí)際數(shù)據(jù)分析，確定純電動(dòng)汽車(chē)主要噪聲階次。對(duì)比電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲階次，評(píng)估其對(duì)整車(chē)噪聲貢獻(xiàn)量，研究電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)化方向，提出合理有效的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)化措施。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)；振動(dòng)噪聲；階次分析

　　純電動(dòng)汽車(chē)將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)由電驅(qū)系統(tǒng)取代，在噪聲方面具有突出優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)基本上仍沿用傳統(tǒng)燃油車(chē)的相關(guān)結(jié)構(gòu)、參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在動(dòng)態(tài)特性和噪聲特性均有很大不同^[1]，尤其是電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電磁噪聲對(duì)汽車(chē)聲品質(zhì)的影響和高轉(zhuǎn)速、大扭矩的電機(jī)特性使得減速器齒輪嘯叫噪聲格外突出。本文針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行分析，綜合考慮電機(jī)及減速器的優(yōu)化對(duì)整車(chē)噪聲的影響。

　　1 純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器及減速器機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，布置方式較為靈活多樣，但目前多數(shù)仍沿用傳統(tǒng)布置方式。圖1為某電動(dòng)汽車(chē)集中式電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)布置圖。

　　2 純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

　　純電動(dòng)汽車(chē)噪聲主要來(lái)源于電驅(qū)系統(tǒng)和減速器。

　　電驅(qū)系統(tǒng)噪聲主要有如下。

　　1）電磁噪聲。電磁噪聲來(lái)源于電機(jī)振動(dòng)，是電動(dòng)汽車(chē)噪聲的最主要組成部分。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波，其產(chǎn)生交變電磁力，作用在電機(jī)定子齒槽，通過(guò)磁軛向外傳播噪聲^[2]。電磁力引起的電磁諧波噪聲是電機(jī)固有特性，無(wú)法完全消除。

　　本文研究對(duì)象為4對(duì)極48槽的永磁同步電機(jī)，其主要諧波次數(shù)為2np，其中，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，n為1，2，3…。

　　2）機(jī)械噪聲。電機(jī)機(jī)械噪聲主要來(lái)源于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡力產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，及電機(jī)軸承本身及其受到電機(jī)各種力的激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

　　減速器的噪聲是由運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中機(jī)體內(nèi)齒輪嚙合產(chǎn)生周期性交變力導(dǎo)致的齒輪嚙合振動(dòng)對(duì)軸承和箱體作用而輻射出的噪聲，主要包括兩種：嘯叫噪聲和敲擊噪聲。嘯叫噪聲是由內(nèi)部齒輪在嚙合傳動(dòng)中所受的不平穩(wěn)的激振力和嚙合過(guò)程的傳動(dòng)誤差引起的一種中高頻噪聲^[3]。敲擊噪聲主要是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)造成的。

　　減速器齒輪振動(dòng)頻率計(jì)算公式如式（1），階次噪聲計(jì)算公式如式（2）：

　　式中：f為齒輪嚙合頻率；Z為齒輪的齒數(shù)；n為齒輪的轉(zhuǎn)速（r/min）；Ord為齒輪副嚙合階次^[4]。

　　3 整車(chē)噪聲源測(cè)試與噪聲特性分析

　　以某款電動(dòng)汽車(chē)為例，測(cè)試其動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲及駕駛艙內(nèi)噪聲。

　　動(dòng)力總成基本參數(shù)如表1。

　　圖2 為車(chē)輛全負(fù)荷加速行駛時(shí)車(chē)內(nèi)駕駛員外耳噪聲。

　　回放分析，電動(dòng)汽車(chē)噪聲主要集中在較高頻率噪聲，其中48階為高頻嘯叫，是整車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)，從2 000 r/min開(kāi)始，1階和3.6階為低頻主要貢獻(xiàn)，且存在350~440 Hz附近共振。另外，7.8階、8階、22階均對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲也有較明顯貢獻(xiàn)，與整車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)主要噪聲階次吻合。

　　通過(guò)對(duì)比電機(jī)及減速器近場(chǎng)噪聲及振動(dòng)彩圖，可見(jiàn)8階與48階主要是電機(jī)電磁噪聲，1階與3.6階主要為電機(jī)機(jī)械噪聲。7.8階與22階為減速器齒輪嚙合產(chǎn)生的噪聲。總體分析，車(chē)內(nèi)噪聲主要來(lái)源于電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。

　　在低速時(shí)候，電動(dòng)汽車(chē)的噪聲主要來(lái)自減速器，在中高速時(shí)電機(jī)的噪聲表現(xiàn)明顯。350~440 Hz附近的共振電機(jī)側(cè)振動(dòng)表現(xiàn)更為明顯，使得整車(chē)噪聲聲壓級(jí)有較明顯的增加。

　　4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)噪聲優(yōu)化

　　根據(jù)永磁同步電機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，主磁通沿徑向進(jìn)入氣隙，作用于定子和轉(zhuǎn)子上，并產(chǎn)生徑向電磁力^[5]，這些不平衡的電磁力波引起電磁噪聲，因此噪聲優(yōu)化方案主要集中在對(duì)電磁噪聲的削弱，主要包含通過(guò)對(duì)電磁方案的優(yōu)化和電機(jī)殼體的優(yōu)化。

　　根據(jù)整車(chē)數(shù)據(jù)顯示，48階噪聲是對(duì)整車(chē)內(nèi)噪聲最大的貢獻(xiàn)。本文針對(duì)電機(jī)噪聲有如下優(yōu)化方案。

　　4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化

　　轉(zhuǎn)子分段斜極可以有效地削弱氣隙磁密波形畸變率，同時(shí)減小氣隙磁密的大小，且隨著分段數(shù)增加，氣隙磁密大小和氣隙磁密波形畸變率也隨之減小^[6]。

　　本文中電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)果如圖3。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向由原來(lái)的2段改為4段，在不改變電機(jī)功率密度等主要性能參數(shù)前提下，有效地削弱齒諧波電勢(shì)和齒槽轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)最重要的8次、48次諧波也起到了較好的削弱。

　　4.2 傳播途徑的優(yōu)化

　　通過(guò)對(duì)電機(jī)端蓋優(yōu)化，電機(jī)端蓋材料由原來(lái)的鋼鐵材料改為密度較小的鋁材料，在重量基本不變條件下，厚度增加至5 mm，增加隔音效果（如圖4）。另外。改變端蓋，對(duì)整機(jī)模態(tài)也會(huì)產(chǎn)生較明顯改變，共振頻率改變，削弱共振強(qiáng)度，材料密度的改變對(duì)抑制高頻噪聲輻射也有較好的作用。

　　4.3 優(yōu)化驗(yàn)證

　　電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試，按照半球法布置方式，在距離電機(jī)中心0.5 m外測(cè)量面上布置4個(gè)傳聲器，測(cè)試出各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。殼電機(jī)上殼體、電機(jī)后殼體、電機(jī)右殼體、控制器殼體布置4個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器（如圖5）。

　　針對(duì)電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化后前后的臺(tái)架驗(yàn)證效果如圖6、圖7所示。

　　通過(guò)對(duì)電機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)子斜極的優(yōu)化，及電機(jī)端蓋的更改，均對(duì)電機(jī)噪聲有明顯改善，優(yōu)化后的電機(jī)8、16、24、48階次振動(dòng)均有明顯降低，噪聲也有較好的改善。

　　5 減速器噪聲優(yōu)化方法

　　5.1 減速器噪聲優(yōu)化

　　電動(dòng)汽車(chē)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)速范圍廣，減速器經(jīng)常工作在高轉(zhuǎn)速、大扭矩工況，因此，純電動(dòng)汽車(chē)減速器對(duì)于齒輪精度及裝配精度要求均有所提高。由此所帶來(lái)的減速器嘯叫噪聲是一種人耳敏感的高頻純音，是整車(chē)聲品質(zhì)影響最為重要的因素，是主要降低或消除對(duì)象。^[7]

　　本文針對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)用兩檔減速器嘯叫噪聲的特點(diǎn)，對(duì)齒輪微觀(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小齒輪傳遞誤差，從而減小齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng)和噪聲，優(yōu)化方法主要包含齒形、齒向等參數(shù)的修整。

　　高速級(jí)齒輪齒形修行及齒向修形如表2、表3。

　　低速級(jí)齒輪齒形修行及齒向修形如表4、表5。

　　5.2 優(yōu)化驗(yàn)證：

　　1）傳遞誤差：

　　微觀(guān)參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化效果如表6?？梢?jiàn)優(yōu)化前后齒輪傳遞誤差減少接近一半。

　　2）經(jīng)過(guò)接觸應(yīng)力計(jì)算分析，接觸應(yīng)力由齒根調(diào)整至了齒中部位。

　　整車(chē)針對(duì)減速器優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果如圖8。

　　6 整車(chē)優(yōu)化結(jié)果

　　通過(guò)對(duì)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)及減速器裝車(chē)進(jìn)行驗(yàn)證，并與優(yōu)化前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)整車(chē)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如圖9。

　　整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化后，車(chē)內(nèi)總體聲壓級(jí)明顯降低約20 dB，電機(jī)電磁噪聲及減速器嘯叫噪聲得到有效控制，7.8階，8階，22階，48階等均明顯減小。

　　7 總結(jié)

　　本文通過(guò)對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲的分析，提出了合理的優(yōu)化方法，有效地降低了整車(chē)的噪聲，針對(duì)本文內(nèi)容總結(jié)如下。

　　1）通過(guò)對(duì)整車(chē)噪聲的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)是整車(chē)噪聲主要來(lái)源，尤其是高頻嘯叫主要來(lái)源于電機(jī)電磁噪聲，及減速器的嘯叫噪聲。

　　2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲主要來(lái)源于電機(jī)本身電磁噪聲及電機(jī)的機(jī)械噪聲。削弱其電磁噪聲是實(shí)現(xiàn)電機(jī)噪聲削弱的主要方式，機(jī)械噪聲的優(yōu)化主要是針對(duì)軸承及電機(jī)本身動(dòng)平衡精度的提高。

　　3）高速減速器依然是技術(shù)突破一個(gè)難點(diǎn)，尤其是受?chē)?guó)內(nèi)齒輪加工水平受限。針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)的高轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速范圍廣等特性導(dǎo)致的減速器嘯叫噪聲的削弱，主要集中在對(duì)齒輪齒向及齒形參數(shù)的合理調(diào)整，以減小齒輪傳遞誤差，從而減少噪聲。

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　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第43頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）