本文分析了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲來源、傳遞路徑及優(yōu)化路徑,并以某純電動(dòng)汽車蠕行起步階段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)24階噪聲為研究對(duì)象,提出了優(yōu)化扭矩控制策略方案,有效減弱了蠕行起步階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)24階振動(dòng)噪聲。
1 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲來源與優(yōu)化路徑
動(dòng)力輸出裝置的電動(dòng)化使得整車內(nèi)外的噪聲趨于減小。近些年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有大量的研究表明電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電磁噪聲是車內(nèi)外主要的噪聲來源。文獻(xiàn)[1]定性分析了低次徑向力波是引起電磁振動(dòng)和噪聲的主要來源。文獻(xiàn)[2]從極槽配合與永磁體削角的角度計(jì)算分析了更改電機(jī)參數(shù)對(duì)電機(jī)電磁噪聲的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[3]從優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子沖片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提升槽滿率角度并整車驗(yàn)證改善了電機(jī)本體的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[4]從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的生產(chǎn)工藝方面入手探討了降低電機(jī)振動(dòng)噪聲的措施。文獻(xiàn)[5]對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的振動(dòng)噪聲的特性進(jìn)行了研究,將驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置在系統(tǒng)中同減速器、懸置、傳動(dòng)軸等作為一個(gè)整體研究及解決振動(dòng)噪聲問題,單單只分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器已不再合理。文獻(xiàn)[6]基于振動(dòng)噪聲傳遞路徑分析,使用對(duì)電機(jī)及減速器進(jìn)行聲學(xué)包裹的方法實(shí)際驗(yàn)證對(duì)改善車內(nèi)高頻嘯叫有明顯效果。文獻(xiàn)[7]利用解析法和有限元法對(duì)變頻器供電時(shí)永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、電磁激振力和噪聲的主要頻率進(jìn)行分析得出:永磁電機(jī)在變頻器供電時(shí)定子的高次時(shí)間諧波電流在氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生頻率與變頻器開關(guān)頻率相關(guān)的空間氣隙磁場(chǎng)諧波,其振動(dòng)噪聲頻率主要分布在開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近。
1.1 來源
當(dāng)前純電動(dòng)汽車越來越多地采用水冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),取消散熱風(fēng)扇,也就沒有了由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣流動(dòng)、撞擊、摩擦而產(chǎn)生的空氣噪聲,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲,驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為聲源,電磁噪聲是由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性、氣隙磁場(chǎng)、電磁力波、電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)電流的急速增大或減小等因素造成的。另外驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁噪聲也受電機(jī)控制器的控制策略、IGBT的開關(guān)頻率的影響。②傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械噪聲,傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械噪聲的主要來源是齒輪嚙合噪聲、花鍵嚙合噪聲、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸承噪聲、裝配偏心產(chǎn)生的噪聲等。③扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和噪聲,經(jīng)常發(fā)生在車輛加速或減速的過程中某一速度段車輛有抖動(dòng)噪聲,典型的表現(xiàn)為加速共振特性,這是由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝配在整車上時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與懸置、傳動(dòng)軸等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零部件組合為一體形成新的模態(tài),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩激勵(lì)頻率是隨速度變化的,當(dāng)同動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率接近時(shí),產(chǎn)生共振,強(qiáng)化了局部的振動(dòng)噪聲。
1.2 傳遞路徑
驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲的傳播路徑一般分為兩類,如圖1所示,一類是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體機(jī)殼、端蓋傳導(dǎo)出來的振動(dòng)噪聲通過懸置系統(tǒng)傳遞到車身及車內(nèi),另一類是通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系傳遞到傳動(dòng)軸、懸架系統(tǒng)、車身及車內(nèi)。
圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲傳播路徑
1.3 優(yōu)化途徑
純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)化一般從以下幾個(gè)方面入手:①降低激勵(lì)源,中低速時(shí)風(fēng)噪和路噪比較小,車內(nèi)外噪聲主要來源于驅(qū)動(dòng)電機(jī),降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲應(yīng)從設(shè)計(jì)階段開始控制。選擇合適的繞組形式,采用雙層繞組可以減弱低次諧波的影響、減少磁勢(shì)中諧波成分,合理選擇定轉(zhuǎn)子齒槽配合,合理選擇氣隙值使氣隙均勻,采用斜槽或者斜極,采用滑動(dòng)軸承并保持良好的潤(rùn)滑等。②控制策略,優(yōu)化控制策略是無需修改驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車身其他部件結(jié)構(gòu)、緩解驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲的最方便快捷的方式。一般從優(yōu)化IGBT開關(guān)頻率、重新標(biāo)定電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)、優(yōu)化油門踏板開度、優(yōu)化扭矩階躍的強(qiáng)度等途徑緩解驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)和噪聲。③傳播路徑,電動(dòng)汽車線束數(shù)量多,分布廣,需要較大的空間布線及較大的孔洞走線,對(duì)隔音形成較大難度。隔絕噪聲傳播路徑的方法有密封、隔聲和隔振,主要是做好車身鋼板的細(xì)縫、孔洞的密封,并使用高效阻尼材料隔絕聲音和振動(dòng)的傳播。④聲學(xué)包,聲學(xué)包技術(shù)也是基于局部噪聲源頭在傳播路徑上進(jìn)行優(yōu)化的一種降噪措施,主要適用于高頻 (>500Hz)噪聲的優(yōu)化控制,驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身是一個(gè)發(fā)熱體,選用的聲學(xué)包裹材料應(yīng)綜合吸聲、隔振及散熱性能。
2 某純電動(dòng)車蠕行模式振動(dòng)噪聲測(cè)試分析
車輛的蠕行模式也稱為低速巡航駕駛輔助系統(tǒng),在此模式下不需要駕駛員操作油門踏板和制動(dòng)踏板,整車控制器自行控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的輸出,使車輛以非常緩慢的速度行駛。車輛蠕行模式,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在130~200r/min之間,頻率在74Hz附近,駕駛室明顯聽到比較低沉的“嗯”的聲音并伴隨從底板傳輸而來的振動(dòng),表現(xiàn)為24階、48階噪聲和振動(dòng),其中24階更為明顯。其測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。
圖2 駕駛室右耳噪聲測(cè)試
圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體振動(dòng)
3 某純電動(dòng)車蠕行模式24階噪聲分析
某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用4對(duì)極、48槽、三相單層繞組永磁同步電機(jī),匹配一擋減速器進(jìn)行扭矩傳遞輸出。根據(jù)電磁理論對(duì)該驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行電磁力波分析,轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為:
定子磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為:
同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要電磁力波的極對(duì)數(shù)為:
那么,對(duì)應(yīng)的電磁力波的頻率為:
式中:k,r——常數(shù);p——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的極對(duì)數(shù);f r——轉(zhuǎn)子的頻率;μ±p——電磁力波對(duì)應(yīng)的頻率階數(shù)。
通過計(jì)算分析,如圖4某驅(qū)動(dòng)電機(jī)力波分析表,8極48槽三相單槽永磁同步電機(jī)的電磁噪聲階次為8,16,24,40,48,64,72,80,88,96,表現(xiàn)最為典型的階次為24,48,96,它們對(duì)應(yīng)的空間階次都為0階。對(duì)應(yīng)整車噪聲振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù),蠕行起步階段表現(xiàn)最顯著的是24階噪聲和振動(dòng),而驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)特性決定24階電磁力波是轉(zhuǎn)子的5、7次諧波和定子的5、7次諧波相互作用產(chǎn)生的。測(cè)試數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力波分析相吻合,整車蠕行起步階段24階噪聲和振動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)激勵(lì)引起的。
圖4 某驅(qū)動(dòng)電機(jī)力波分析表
采用LMS信號(hào)分析系統(tǒng)在整車上對(duì)動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行錘擊法模態(tài)測(cè)試,激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體及減速器上各點(diǎn)分析懸置主動(dòng)側(cè)頻響,激勵(lì)減速器前端存在74Hz的明顯峰值如圖5所示,表現(xiàn)為動(dòng)力總成繞右后懸置連線旋轉(zhuǎn)的剛體模態(tài)如圖6所示。
圖5 激勵(lì)減速器前端頻響
綜上所述,結(jié)合整車振動(dòng)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)和整車動(dòng)力總成頻響、模態(tài)測(cè)試結(jié)果,車輛在130~200r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),在74Hz頻率附近局部強(qiáng)化的24階振動(dòng)噪聲是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)激勵(lì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力波頻率同車輛動(dòng)力總成固有頻率共振引起的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器連接在一起形成新的模態(tài) (74Hz),驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力波的頻率隨著轉(zhuǎn)速變化,在蠕行起步加速的過程中隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的上升,新的模態(tài)固有頻率同電磁力波頻率重疊,很快產(chǎn)生了共振。
4 某純電動(dòng)車蠕行模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)24階噪聲解決方案
減弱驅(qū)動(dòng)電機(jī)24階噪聲和振動(dòng)可以優(yōu)化電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化傳播路徑等,本文從優(yōu)化控制策略來緩解蠕行起步階段24階噪聲和振動(dòng)。優(yōu)化控制策略的主要途徑有調(diào)整電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)、調(diào)整開關(guān)頻率、調(diào)整扭矩補(bǔ)償參數(shù)、優(yōu)化扭矩階躍強(qiáng)度等方面。
前期做了大量工作重新標(biāo)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)、扭矩補(bǔ)償參數(shù)以及開關(guān)頻率,均沒有減弱蠕行模式24階振動(dòng)噪聲。最后采用增加預(yù)置扭矩、優(yōu)化扭矩階躍強(qiáng)度有效解決了蠕行模式24階噪聲和振動(dòng)。在整車控制器發(fā)送給電機(jī)控制器使能指令后即給定5Nm的預(yù)置扭矩,讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出扭力,消除傳動(dòng)系統(tǒng)花鍵、齒輪的嚙合間隙,消除了車輛由靜止到行駛的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊,車輛進(jìn)入預(yù)備狀態(tài) (處于車輛靜止?fàn)顟B(tài));同時(shí)優(yōu)化蠕行工況扭矩階躍梯度,扭矩的增加分兩個(gè)階段,在轉(zhuǎn)速上升到60r/min時(shí)蠕行扭矩達(dá)到最大值35Nm,蠕行工況加速結(jié)束后驅(qū)動(dòng)電機(jī)只需輸出7Nm的力即可使驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在384r/min,較優(yōu)化前最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速降低29r/min,根據(jù)整車參數(shù)換算成車速降低0.4km/h,主觀評(píng)價(jià)不影響駕駛感受。從總線上提取的扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)優(yōu)化前后對(duì)比如圖7所示,整車控制器蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度數(shù)據(jù)前后對(duì)比如圖8所示。
圖6 動(dòng)力總成模態(tài)
圖7 總線上提取的蠕行模式扭矩轉(zhuǎn)速優(yōu)化前后對(duì)比圖
圖8 蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度標(biāo)定數(shù)據(jù)前后對(duì)比圖
增加預(yù)置扭矩、優(yōu)化蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度后,再次測(cè)量駕駛室右耳噪聲,如圖9所示,噪聲強(qiáng)度明顯減弱,主觀評(píng)價(jià)已無明顯的感覺。
5 總結(jié)
本文從優(yōu)化控制策略方面入手,通過增加預(yù)置扭矩、優(yōu)化蠕行模式扭矩階躍強(qiáng)度,有效緩解了蠕行起步階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的24階振動(dòng)和噪聲。在零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)階段進(jìn)行NVH的預(yù)測(cè)分析及研究,在整車零部件選型開發(fā)時(shí)進(jìn)行相關(guān)各部件的模態(tài)分析,優(yōu)化控制策略,可有效避免振動(dòng),降低車內(nèi)及近場(chǎng)噪聲,有效縮短項(xiàng)目周期確保產(chǎn)品順利開發(fā)完成,并為后續(xù)新車型的開發(fā)提供指導(dǎo)。
圖9 優(yōu)化前后噪聲測(cè)試對(duì)比圖
審核編輯:郭婷
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原文標(biāo)題:某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)24階振動(dòng)噪聲的分析與優(yōu)化
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