張守元, 李玉軍, 楊良會

(1.清華大學汽車工程系,北京 100084; 2.北京新能源汽車股份有限公司,北京 102606)

2016195

某電動汽車車內(nèi)噪聲改進與聲品質(zhì)提升*

張守元1, 李玉軍2, 楊良會2

(1.清華大學汽車工程系,北京 100084; 2.北京新能源汽車股份有限公司,北京 102606)

分析了電動車永磁同步電機和減速器噪聲產(chǎn)生機理和頻譜特征，對某款自主研發(fā)電動轎車低速嘯叫進行測試，分別從電機、減速器、懸置和聲學包等方面提出改進措施。改進后車內(nèi)駕駛員耳邊聲壓級降低2～6dB(A)，消除了嘯叫噪聲，車內(nèi)聲品質(zhì)大幅提高。

電動汽車；嘯叫噪聲；聲品質(zhì)；NVH

前言

純電動汽車具有零排放、使用成本低和加速性能好等優(yōu)點。電動汽車由電機驅(qū)動，沒有發(fā)動機和進排氣系統(tǒng)，整車振動噪聲比同等傳統(tǒng)車低3～6dB(A)，傳統(tǒng)車中被發(fā)動機噪聲掩蓋的變速器、真空泵、壓縮機等噪聲凸顯，由于電機磁場力波高階激勵，中低速車內(nèi)噪聲頻譜成分以200～2 000Hz中高頻為主，高速路噪和風噪更明顯。人耳對1 000～2 000Hz頻率噪聲非常敏感，電動車噪聲雖然不大，但很容易產(chǎn)生惱人的尖銳噪聲，電動車對聲品質(zhì)要求更高。文獻[1]～文獻[5]中針對純電動汽車NVH特性做了研究，目前研究都只偏重對電動車某一系統(tǒng)進行改進，沒有對電動汽車嘯叫噪聲和車內(nèi)聲品質(zhì)提出全面的解決措施。某國產(chǎn)電動轎車在20-60km/h全加速工況車內(nèi)存在嘯叫噪聲，并呈現(xiàn)顫音，本文中對此嘯叫噪聲的產(chǎn)生機理進行了深入分析，從噪聲源和傳遞路徑方面提出改進措施，成功消除了低速嘯叫噪聲,有效提升了整車NVH性能。

1 電動車噪聲源分析

1.1 電機噪聲

永磁同步電機具有效率高、體積小和噪聲低等優(yōu)點，廣泛用于電動汽車驅(qū)動電機。本文中電動轎車永磁同步電機參數(shù)見表1。

永磁同步電機中，切向磁密比徑向磁密小很多，引起電機振動噪聲主要是徑向磁密產(chǎn)生的電磁力波,作用于定子鐵芯表面的各次電磁力波密度的麥克斯韋應力方程[6]為

Pr(x,t)=Prcos(rx-ωrt-ψr)=

(1)

式中：Bμi和Bλj分別為定子和轉子產(chǎn)生的氣隙磁密諧波幅值；r為力波次數(shù)，r=μi±λj，μi為定子產(chǎn)生的力波次數(shù)，λj為轉子產(chǎn)生的力波次數(shù)；ψr為力波初相角；ωr為力波角頻率。對永磁同步電機，電機的振動噪聲主要由定轉子諧波磁場相互作用引起[7]，定子和轉子磁場力波次數(shù)分別為

μi=(6m+1)P，m=±1,±2,±3,…

(2)

λj=(2n+1)P，n=1,2,3,…

(3)

式中P為極對數(shù)。

定子和轉子諧波磁場相互作用產(chǎn)生的徑向力波次數(shù)為

(4)

從式(2)和式(3)可知定子(三相電機)會產(chǎn)生5次和7次等諧波磁場，轉子會產(chǎn)生3次、5次和7次等諧波磁場，從式(4)可知定轉子相互產(chǎn)生的電機力波次數(shù)等于0或極數(shù)的整數(shù)倍。

電機制造加工過程存在的誤差和定子開槽等原因使氣隙磁場無法滿足理想正弦分布[8]，電機轉矩方程為

Te=1.5P×ψ1iq+(Ld-Lq)idiq-

(5)

式中：ψ為定子繞組磁鏈；id和iq分別為d和q軸電流；Ld和Lq為d和q軸電感；θ為主磁極與相電夾角?？梢娹D矩中包含6i倍電流基頻成分6i×(Pn/60)，由于6倍諧波幅值比12倍、18倍都大，一般只考慮6倍電流頻率。因此，電機主要振動中不僅包括氣隙基波磁場引起的2P階次，還包括6i倍電流基頻成分。如果定子槽數(shù)是電機極數(shù)的整數(shù)倍，也會產(chǎn)生相應階次的振動噪聲。

調(diào)速永磁同步電機還會產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制(PWM)變頻器載波頻率附近的高頻振動噪聲[9]，由于PWM輸出的并不是標準的正弦波，而是等幅不等寬的周期性電壓或電流脈沖，經(jīng)過傅里葉級數(shù)分解可以得到一系列諧波fc±kfr，k=2,4,6，…，其中fc為開關頻率，fr為調(diào)制波頻率，因此會產(chǎn)生基于開關頻率的諧波頻率噪聲。

加速工況電機近場噪聲瀑布圖如圖1所示。由圖可見，第24階和48階電磁力波噪聲明顯，5 000Hz開關頻率和諧波10 000Hz周邊出現(xiàn)明顯的煙花狀諧波頻率噪聲。

圖1 加速工況電機近場噪聲瀑布圖

1.2 減速器噪聲

減速器嘯叫噪聲是齒輪箱彈性系統(tǒng)在動態(tài)激勵載荷作用下產(chǎn)生的響應。齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵有內(nèi)部激勵和外部激勵，內(nèi)部激勵是齒輪副在嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，即使沒有外部激勵齒輪系統(tǒng)也會由于這種內(nèi)部激勵而產(chǎn)生振動，這是齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因。內(nèi)部激勵主要由時變嚙合剛度、傳遞誤差和嚙入嚙出沖擊等因素引起，外部激勵是由電機轉矩波動、轉子動不平衡、連接花鍵間隙等產(chǎn)生的動態(tài)沖擊。考慮電動汽車齒輪系統(tǒng)扭轉-彎曲-軸向3方向耦合振動，建立6自由度斜齒輪系統(tǒng)動力學模型，研究內(nèi)外部時變載荷作用下齒輪的動態(tài)響應，如圖2所示。

圖2 斜齒輪6自由度系統(tǒng)動力學模型

設齒輪傳動的螺旋角為β，由齒形誤差、齒距偏差和輪齒載荷彈性變形引起的兩輪齒周向相對位移為e，則在嚙合點內(nèi)部偏差引起的軸向位移為

z=etanβ

(6)

主動輪和被動輪在動態(tài)載荷作用下發(fā)生扭轉變形，主被動輪上的轉角振動分別為θa和θp，齒輪嚙合點主被動側的總體周向位移為

yac=ea+θaRa

(7)

式中：ea為主動輪周向位移；ep為被動輪周向位移。

ypc=ep-θaRa

(8)

在齒輪嚙合點主被動側的軸向位移為

zac=(za-yac)tanβ

(9)

zpc=(zp+ypc)tanβ

(10)

根據(jù)上述位移激勵和輪齒綜合嚙合剛度kc和嚙合阻尼Cs可得齒輪嚙合位置周向和軸向動態(tài)激振力為

Fy=kscosβ(yac-ypc-e)+

(11)

Fz=kssinβ(zac-zpc-z)+

(12)

系統(tǒng)的運動學方程:

(13)

式中：Ia和Ip分別為主被動齒輪轉動慣量；Ta為主動輪驅(qū)動轉矩；i為傳動比；Ra和Rp分別為主被動齒輪節(jié)圓半徑。上述方程寫成矩陣形式為

(14)

式中：[m]，[c]和[k]分別為齒輪系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{F(t)}為由齒輪運轉過程中位移偏差產(chǎn)生的內(nèi)部激振力和外部驅(qū)動力矩組成的載荷矩陣。

電動汽車以60km/h以下低速行駛時，路噪、風噪較小，減速器成為重要的噪聲源。在減速齒輪不是理想的漸開線形狀、制造安裝精度和彈性變形等因素作用下[10]，主動齒輪恒速轉動時，被動齒輪轉速發(fā)生波動，在嚙合過程產(chǎn)生動態(tài)沖擊，部分振動經(jīng)過箱體輻射結構噪聲，部分振動通過懸置傳到車身。齒輪嚙合噪聲頻率f=(N×n)/60，N為齒輪齒數(shù)，n為齒輪轉速。齒輪嚙合基頻f，2f和3f等諧頻處容易出現(xiàn)較大振動，當這些階次振動過大引起齒輪嘯叫噪聲。

本文中減速器參數(shù)如表2所示。

表2 減速器參數(shù)

加速工況變速器殼表面振動加速度瀑布圖如圖3所示。

圖3 加速工況減速器殼表面振動瀑布圖

由圖可見，減速器25階和48階振動明顯，這是1級傳動主被動齒輪嚙合沖擊引起的，而且第25階頻率范圍在1 000～2 000Hz人耳敏感區(qū)域，低速時主觀感覺有明顯嘯叫噪聲。以25階為基頻的倍頻50階和3倍頻75階振動也非常明顯。

2 改進措施和效果驗證

2.1 改進措施

電動車車內(nèi)嘯叫噪聲傳遞路徑見圖4。

使用LMS測試設備對該車全加速工況進行振動噪聲測試，車內(nèi)噪聲瀑布圖見圖5。

圖4 電動汽車車內(nèi)嘯叫噪聲傳遞路徑

圖5 車內(nèi)噪聲瀑布圖

由圖可見，在電機轉速1 000～5 000r/min,對應車速20～60km/h范圍內(nèi)，300～2 000Hz頻域出現(xiàn)第24階和第25階明顯階次噪聲，這和主觀評價中低速嘯叫噪聲吻合，可以確認這兩個階次噪聲是引起嘯叫的主要原因。第24階是電機電磁力波造成的轉矩波動形成的噪聲，第25階是減速器1級傳動主動齒輪引起的嚙合噪聲。第24階和25階噪聲頻率非常接近，容易產(chǎn)生拍振，導致出現(xiàn)調(diào)質(zhì)噪聲，主觀感覺為顫音。

2.1.1 電機

為根本解決上述NVH問題，從消除噪聲源入手，降低電機和減速器振動噪聲，不僅有利于減少改進成本，還是最有效的控制措施。根據(jù)上節(jié)電機噪聲產(chǎn)生原理，控制電機噪聲主要是降低定轉子相互作用產(chǎn)生的磁場力波。采用定子分段斜槽或轉子斜極的結構可以使定轉子之間的相互作用力均勻[11]，降低電磁諧波作用力，密合磁場減少漏磁，氣隙磁場分布更理想可以減小輸出轉矩中電流基頻6i諧波成分，消除階次噪聲，同時定轉子間的氣隙均勻度、定子槽型等影響定轉子間磁密幅值，對電磁徑向力波有重要影響[12]。綜合考慮生產(chǎn)成本等因素，對本電機定子采用多段斜槽結構和避免漏磁的措施，提高運行時電機磁場均勻度；對定子線圈采取VPI浸漆工藝，提高掛漆量，減小氣隙并降低氣隙不均勻度；在電機軸承增加波形墊圈等減振措施，降低電機輸出時的振動水平，同時減小減速器嚙合沖擊等對電機的影響。

電機開關頻率對車內(nèi)噪聲的影響如圖6所示。

由圖可見，開關頻率越低，車內(nèi)高頻嘯叫噪聲感覺越尖銳。為降低開關頻率電磁諧波噪聲，并考慮到電機效率等因素，在電機2 000r/min以下采用5kHz開關頻率，2 000r/min以上采用10kHz。

綜合以上措施，電機表面振動加速度改進效果見圖7，兩條曲線之間的區(qū)域是改進效果。

由圖可見，改進后電機表面振動加速度從最大4g降為1g，改進效果明顯。

2.1.2 減速器

減速器齒輪傳遞誤差引起的嚙合沖擊是產(chǎn)生嘯叫噪聲的主要原因[13]，在正轉20%，40%和70%以及反轉20%和40%峰值轉矩(160N·m)工況下，減速器傳遞誤差如圖8所示。

圖8 減速器傳遞誤差

由圖可見，傳動齒輪最大傳遞誤差達到2.83μm，不能滿足目標要求。對2級主動和被動齒輪進行輪齒修型，齒頂修緣量20μm，齒向和齒形修形方式為節(jié)點起鼓的拋物線形，通過多輪優(yōu)化，確定了最佳鼓形量，改進后的齒輪傳遞誤差如圖9所示。

圖9 改進后減速器傳遞誤差

在70%峰值轉矩下最大傳遞誤差0.7μm，比修形前降低75%，修形后的齒輪接觸面集中在齒輪中部，傳動受力均勻，仿真和實際接觸斑點如圖10所示。

圖10 改進后齒輪接觸斑點

齒形優(yōu)化后接觸斑點更理想，有利于降低接觸應力，減少嚙合沖擊。此外，在減速器蓋一側增加軸承壓板，使軸承座和軸承的軸向游隙從145降到120μm，減小了軸承跳動引起的減速器齒輪沖擊。全加速工況改進前后的減速器殼體振動加速度對比如圖11所示。

圖11 減速器改進前后振動加速度曲線

由圖可見，在振動主要峰值加速度都有所降低，全加速工況電機轉速500～8 000r/min范圍內(nèi)振動加速度降低1～3.9g，改進效果明顯。

2.1.3 懸置系統(tǒng)

電機和減速器振動通過懸置傳到車身，形成結構輻射噪聲[14]，懸置系統(tǒng)是車內(nèi)嘯叫的重要傳遞路徑[15]。在全加速工況測試該車3點懸置隔振率，結果表明后懸置和左懸置滿足20dB隔振率要求，右懸置X向(前后)和Z向(垂向)隔振率僅5～15dB，如圖12所示，不能滿足隔振性能要求[16]。

圖12 右懸置隔振率

對右懸置進行改進，考慮車型已經(jīng)量產(chǎn)，不能改變懸置位置，只優(yōu)化懸置形狀和剛度。經(jīng)多輪優(yōu)化，懸置頂部增加26mm厚的橡膠墊片以減少X向路面沖擊，內(nèi)部結構由實心改成人字形，懸置垂向靜剛度從120降到80N/mm，如圖13所示。

圖13 懸置改進后結構

改進后全加速工況右懸置隔振率如圖14所示。

圖14 改進后右懸置隔振率

由圖可見，改進后全加速工況下隔振率在25～30dB，被動側最大加速度2m/s2，隔振性能比原車提高10～15dB，被動側振動加速度幅值比改進前降低70%。

2.1.4 聲學包

根據(jù)圖5測試結果，車內(nèi)嘯叫噪聲以300～2 000Hz頻域成分為主，電機和減速器輻射的高頻噪聲會通過車身泄漏孔、門縫等經(jīng)空氣傳到車內(nèi)，整車氣密性和聲學包設計是隔斷空氣傳播的關鍵。聲學包設計還會降低高速時風噪和路噪，提高車內(nèi)聲品質(zhì)。在125Pa壓差下進行整車氣密性試驗，結果見表3。

表3 氣密性測試結果

泄漏量初始值230SFCM，目前良好的整車氣密性都在100SFCM以下，表明該車泄漏嚴重。使用超聲波泄漏儀查找前圍、車門和后背門等主要泄漏位置，如圖15所示。

圖15 超聲波主要泄漏區(qū)域

針對泄漏部位加強密封，對邊梁縫隙增加涂膠工藝，在門把手和后視鏡鈑金內(nèi)側增加橡膠隔墊。高速行駛時，車門在內(nèi)外壓差作用下，會使車門頂部向外張開，很容易引起泄漏，在門窗頂部采用3道密封；車門其它位置和后背門密封圈加厚2mm并優(yōu)化橡膠剛度，強化靜態(tài)密封。前圍空調(diào)換氣孔，轉向柱孔等泄漏大的孔洞做雙層密封。原車前圍只有15mm厚的一層棉氈吸聲，為加強吸隔聲，在前圍內(nèi)側增加35mm聚酯纖維吸音棉和3mm EVA隔音墊，地板增加3mm EVA隔音墊。

2.2 綜合改進效果

綜合實施上述改進措施后，進行整車道路試驗，WOT工況車內(nèi)駕駛員右耳聲壓級曲線和瀑布圖如圖16和圖17所示。

圖16 改進前后車內(nèi)駕駛員耳邊聲壓級曲線

圖17 改進前后車內(nèi)駕駛員耳邊噪聲瀑布圖

改進后車內(nèi)駕駛員耳邊噪聲比改進前降低2～6dB(A)，電機轉速1 500r/min(20km/h)以下和3 000r/min (40km/h)以上降低明顯，第24階和25階噪聲基本消除，高速風噪路噪得到很大改善。表征車內(nèi)聲品質(zhì)的心理聲學參數(shù)如圖18所示。

圖18 改進前后WOT工況駕駛員耳邊噪聲尖銳度和語音清晰度

尖銳度描述高頻段聲音成分和低頻段聲音成分的比例關系，反映聲音信號的刺耳程度。由圖可見：改進后尖銳度在整個車速范圍內(nèi)降低20%～30%，尤其是電機轉速300～3 000r/min低速下降低明顯，主觀感覺無嘯叫噪聲；語音清晰度主要反映高速車內(nèi)路噪風噪成分，該值越大聲品質(zhì)越好，改進后電機轉速4 500r/min(60km/h)以上中高速時語音清晰度明顯提升，說明整車密封和吸隔聲性能改善顯著。

3 結論

(1)分析了電動汽車NVH特點，研究了電動車主要噪聲源永磁同步電機和變速器振動噪聲產(chǎn)生機理和頻譜特征。

(2)針對一款自主研發(fā)電動轎車低速嘯叫問題，分別從噪聲源和傳遞路徑著手，對電機、減速器、懸置系統(tǒng)和聲學包進行優(yōu)化，取得明顯效果，車內(nèi)聲壓級降低2～6dB(A)，消除了嘯叫噪聲，大幅提升車內(nèi)聲品質(zhì)。

(3)改進后電動車低速行駛非常安靜，但會對行人安全造成威脅，增加車外安全提示音并進一步提升車內(nèi)聲品質(zhì)是電動汽車NVH研究的重要方向。

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Whine Noise Improvement and Sound Quality Enhancement in an Electric Car

Zhang Shouyuan1, Li Yujun2& Yang Lianghui2

1.DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084;2.BeijingNewEnergyAutomobileStockLimitedCorporation,Beijing102606

The generation mechanism and spectral features of noises in permanent magnet synchronous motor and reducer of electric vehicle are analyzed, and the low-speed whine noise in a self-developed electric vehicle is measured. Improving measures are proposed from the aspects of motor, reducer, powertrain mounts and sound package, with which the sound pressure level at driver's ear is reduced by 2-6dB(A), with whine noise eliminated and in-car sound quality greatly enhanced.

electric car; whine noise; sound quality; NVH

*科技部新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新工程北京牌全新平臺純電動轎車技術開發(fā)項目資助。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月15日。