純電動汽車電動動力系統(tǒng)振動噪聲問題的分析與優(yōu)化

　　陳士剛（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　摘 要：針對純電動汽車電動動力系統(tǒng)振動噪聲問題，根據(jù)對整車系統(tǒng)振動噪聲的試驗測試，對聲品質主觀評價及實際數(shù)據(jù)分析，確定純電動汽車主要噪聲階次。對比電動動力系統(tǒng)振動噪聲階次，評估其對整車噪聲貢獻量，研究電動汽車電動動力系統(tǒng)振動噪聲優(yōu)化方向，提出合理有效的電動動力系統(tǒng)振動噪聲優(yōu)化措施。

　　關鍵詞：電動汽車；電動動力系統(tǒng)；振動噪聲；階次分析

　　純電動汽車將傳統(tǒng)內燃機系統(tǒng)由電驅系統(tǒng)取代，在噪聲方面具有突出優(yōu)勢，但現(xiàn)階段純電動汽車的設計基本上仍沿用傳統(tǒng)燃油車的相關結構、參數(shù)或經驗去設計和驗證，而驅動電機和傳統(tǒng)內燃機在動態(tài)特性和噪聲特性均有很大不同^[1]，尤其是電驅系統(tǒng)產生的高頻電磁噪聲對汽車聲品質的影響和高轉速、大扭矩的電機特性使得減速器齒輪嘯叫噪聲格外突出。本文針對純電動汽車電動動力系統(tǒng)噪聲問題進行分析，綜合考慮電機及減速器的優(yōu)化對整車噪聲的影響。

　　1 純電動汽車電動動力系統(tǒng)簡介

　　純電動汽車電動動力系統(tǒng)主要由驅動電機、電機控制器及減速器機構組成，實現(xiàn)動力系統(tǒng)的簡化，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為某電動汽車集中式電動動力系統(tǒng)布置圖。

　　2 純電動動力系統(tǒng)噪聲產生機理

　　純電動汽車噪聲主要來源于電驅系統(tǒng)和減速器。

　　電驅系統(tǒng)噪聲主要有如下。

　　1）電磁噪聲。電磁噪聲來源于電機振動，是電動汽車噪聲的最主要組成部分。電機運行時，氣隙磁場是一個旋轉力波，其產生交變電磁力，作用在電機定子齒槽，通過磁軛向外傳播噪聲^[2]。電磁力引起的電磁諧波噪聲是電機固有特性，無法完全消除。

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

　　2）機械噪聲。電機機械噪聲主要來源于電機運轉時轉子不平衡力產生的振動和噪聲，及電機軸承本身及其受到電機各種力的激勵產生的振動和噪聲。

　　減速器的噪聲是由運轉過程中機體內齒輪嚙合產生周期性交變力導致的齒輪嚙合振動對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。嘯叫噪聲是由內部齒輪在嚙合傳動中所受的不平穩(wěn)的激振力和嚙合過程的傳動誤差引起的一種中高頻噪聲^[3]。敲擊噪聲主要是動力傳動系統(tǒng)扭轉振動造成的。

　　減速器齒輪振動頻率計算公式如式（1），階次噪聲計算公式如式（2）：

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

　　3 整車噪聲源測試與噪聲特性分析

　　以某款電動汽車為例，測試其動力系統(tǒng)的振動和噪聲及駕駛艙內噪聲。

　　動力總成基本參數(shù)如表1。

　　圖2 為車輛全負荷加速行駛時車內駕駛員外耳噪聲。

　　回放分析，電動汽車噪聲主要集中在較高頻率噪聲，其中48階為高頻嘯叫，是整車車內噪聲主要貢獻，從2 000 r/min開始，1階和3.6階為低頻主要貢獻，且存在350~440 Hz附近共振。另外，7.8階、8階、22階均對車內噪聲也有較明顯貢獻，與整車電動動力系統(tǒng)主要噪聲階次吻合。

　　通過對比電機及減速器近場噪聲及振動彩圖，可見8階與48階主要是電機電磁噪聲，1階與3.6階主要為電機機械噪聲。7.8階與22階為減速器齒輪嚙合產生的噪聲。總體分析，車內噪聲主要來源于電動動力系統(tǒng)。

　　在低速時候，電動汽車的噪聲主要來自減速器，在中高速時電機的噪聲表現(xiàn)明顯。350~440 Hz附近的共振電機側振動表現(xiàn)更為明顯，使得整車噪聲聲壓級有較明顯的增加。

　　4 驅動電機系統(tǒng)噪聲優(yōu)化

　　根據(jù)永磁同步電機噪聲產生機理，主磁通沿徑向進入氣隙，作用于定子和轉子上，并產生徑向電磁力^[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電磁噪聲的削弱，主要包含通過對電磁方案的優(yōu)化和電機殼體的優(yōu)化。

　　根據(jù)整車數(shù)據(jù)顯示，48階噪聲是對整車內噪聲最大的貢獻。本文針對電機噪聲有如下優(yōu)化方案。

　　4.1 電機轉子斜極優(yōu)化

　　轉子分段斜極可以有效地削弱氣隙磁密波形畸變率，同時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]。

　　本文中電機轉子優(yōu)化結果如圖3。

　　電機轉子軸向由原來的2段改為4段，在不改變電機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和齒槽轉矩，對電機最重要的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

　　通過對電機端蓋優(yōu)化，電機端蓋材料由原來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，對整機模態(tài)也會產生較明顯改變，共振頻率改變，削弱共振強度，材料密度的改變對抑制高頻噪聲輻射也有較好的作用。

　　4.3 優(yōu)化驗證

　　電機振動噪聲測試，按照半球法布置方式，在距離電機中心0.5 m外測量面上布置4個傳聲器，測試出各測點聲壓級。殼電機上殼體、電機后殼體、電機右殼體、控制器殼體布置4個三向振動加速度傳感器（如圖5）。

　　針對電機系統(tǒng)優(yōu)化后前后的臺架驗證效果如圖6、圖7所示。

　　通過對電機臺架驗證數(shù)據(jù)分析，轉子斜極的優(yōu)化，及電機端蓋的更改，均對電機噪聲有明顯改善，優(yōu)化后的電機8、16、24、48階次振動均有明顯降低，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

　　電動汽車采用電機驅動，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，轉速范圍廣，減速器經常工作在高轉速、大扭矩工況，因此，純電動汽車減速器對于齒輪精度及裝配精度要求均有所提高。由此所帶來的減速器嘯叫噪聲是一種人耳敏感的高頻純音，是整車聲品質影響最為重要的因素，是主要降低或消除對象。^[7]

　　本文針對某款電動汽車用兩檔減速器嘯叫噪聲的特點，對齒輪微觀參數(shù)進行優(yōu)化，減小齒輪傳遞誤差，從而減小齒輪嚙合時的振動和噪聲，優(yōu)化方法主要包含齒形、齒向等參數(shù)的修整。

　　高速級齒輪齒形修行及齒向修形如表2、表3。

　　低速級齒輪齒形修行及齒向修形如表4、表5。

　　5.2 優(yōu)化驗證：

　　1）傳遞誤差：

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

　　2）經過接觸應力計算分析，接觸應力由齒根調整至了齒中部位。

　　整車針對減速器優(yōu)化驗證結果如圖8。

　　6 整車優(yōu)化結果

　　通過對電動動力系統(tǒng)優(yōu)化，對優(yōu)化后的電機及減速器裝車進行驗證，并與優(yōu)化前數(shù)據(jù)進行對比分析。對整車進行測試結果如圖9。

　　整車動力系統(tǒng)優(yōu)化后，車內總體聲壓級明顯降低約20 dB，電機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

　　本文通過對某款電動汽車電動動力系統(tǒng)噪聲的分析，提出了合理的優(yōu)化方法，有效地降低了整車的噪聲，針對本文內容總結如下。

　　1）通過對整車噪聲的測試，發(fā)現(xiàn)純電動汽車電動動力系統(tǒng)是整車噪聲主要來源，尤其是高頻嘯叫主要來源于電機電磁噪聲，及減速器的嘯叫噪聲。

　　2）驅動電機噪聲主要來源于電機本身電磁噪聲及電機的機械噪聲。削弱其電磁噪聲是實現(xiàn)電機噪聲削弱的主要方式，機械噪聲的優(yōu)化主要是針對軸承及電機本身動平衡精度的提高。

　　3）高速減速器依然是技術突破一個難點，尤其是受國內齒輪加工水平受限。針對純電動汽車用電機的高轉速及轉速范圍廣等特性導致的減速器嘯叫噪聲的削弱，主要集中在對齒輪齒向及齒形參數(shù)的合理調整，以減小齒輪傳遞誤差，從而減少噪聲。

　　參考文獻：

　　[1] 魏沈平,王燕,范習民.某電動汽車噪聲分析及優(yōu)化[J].北京汽車,2012,42(01):42-44.

　　[2] 陳永校,諸自強,應善成.電機噪聲的分析和控制[M].杭州:浙江大學出版社,1987.

　　[3] 彭國民,余波,馬小英.動力總成NVH分析中齒輪嚙合特性研究[J].振動工程學報,2010,23(6):681-686．

　　[4] 方源,章桐,于蓬,等. 集中驅動式電動車噪聲特性分析與試驗研究[J].振動與沖擊,2015,34(12):89-94.

　　[5] 包猛,2014.電動汽車用永磁同步電機的電磁振動噪聲分析研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學.

　　[6] 王曉宇,孫寧,陳麗香.轉子分段斜極對永磁伺服電機性能的影響[J].電機與控制應用,2017,44(8):59-64.

　　[7] 徐忠四,承忠平,高立新,等.電動汽車減速器嘯叫噪聲的雙目標優(yōu)化[J].汽車工程,2018,40(1):76-81.

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第43頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）