霍 達(dá)，胡 磊

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058)

0 引 言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，純電動(dòng)汽車在市場(chǎng)上的保有量越來(lái)越高，更多的消費(fèi)者開始接觸、使用純電動(dòng)汽車，對(duì)純電動(dòng)汽車的噪聲要求也逐漸提高，廠商開始意識(shí)到噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度(以下簡(jiǎn)稱NVH)對(duì)于純電動(dòng)汽車的重要性，并將NVH性能作為純電動(dòng)汽車的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。相比于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動(dòng)汽車取消了燃油機(jī)，采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，電動(dòng)機(jī)具有動(dòng)力平順、抖動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)，并且不存在怠速工況。相比于燃油汽車，純電動(dòng)汽車可以提供更加平順的駕乘體驗(yàn)，減少車內(nèi)感受到的振動(dòng)，降低噪聲。

雖然純電動(dòng)汽車具有以上天然優(yōu)勢(shì)，但解決其NVH問(wèn)題仍然存在很大挑戰(zhàn)。聲音通常可以通過(guò)響度和尖銳度來(lái)描述。響度又稱音量，是人耳感受到的聲音強(qiáng)弱，用于描述聲音響亮的強(qiáng)度，即常說(shuō)的聲音大??；而尖銳度則是評(píng)價(jià)聲波中高頻分量的多少，尖銳度越高，聲音越尖銳，人耳會(huì)感覺到更刺耳，更容易使人不悅。燃油機(jī)的聲音響度大，尖銳度小，乘客在車內(nèi)會(huì)聽到較響的低頻噪聲，主要感受是“吵”；而電動(dòng)機(jī)則相反，發(fā)出的聲音響度小，尖銳度高，乘客在車內(nèi)會(huì)聽到較弱的高頻噪聲，主要感受是“刺耳”。目前，較多燃油車可以通過(guò)加裝隔音材料來(lái)降低聲音響度，某些品牌的車型還會(huì)通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的音色，使噪聲變得更加悅耳，更容易讓乘客接受。而電動(dòng)車的噪聲是因?yàn)楦哳l帶來(lái)的尖銳感受，使乘客不悅的并不是響度，而是高頻噪聲，它是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)法避免的，所以處理電動(dòng)車的NVH問(wèn)題會(huì)面臨更多的挑戰(zhàn)。

除了減小器件本身發(fā)出的噪聲，抑制傳遞路徑上的噪聲放大是解決NVH的有效辦法。集成式的電驅(qū)動(dòng)總成中，較多的結(jié)構(gòu)件都會(huì)作為噪聲的傳遞路徑，而這些結(jié)構(gòu)件如果具有較低的模態(tài)，當(dāng)受到激勵(lì)時(shí)，更加容易產(chǎn)生共振，對(duì)噪聲會(huì)產(chǎn)生放大作用，所以如何提高電驅(qū)動(dòng)總成中零部件的模態(tài)，是改善電動(dòng)汽車NVH的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

本文主要以電機(jī)控制器中模態(tài)最弱的上蓋作為分析對(duì)象，提出一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越高的模態(tài)指標(biāo)，可以在保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的前提下，有效提高結(jié)構(gòu)件的模態(tài)。

1 電機(jī)控制器模態(tài)分解

電機(jī)控制器內(nèi)部晶體管的快速開關(guān)是噪聲的來(lái)源，噪聲經(jīng)電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)件后被放大，所以提高相關(guān)結(jié)構(gòu)件的模態(tài)是關(guān)鍵。

模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過(guò)模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)件的固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型。

電機(jī)控制器上蓋通常是模態(tài)最低的結(jié)構(gòu)件，在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，控制器上蓋不具有安裝器件的功能，僅實(shí)現(xiàn)整機(jī)的密封，一般不會(huì)有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通常以大面積的平面面板形式出現(xiàn)，而大面積的平面是模態(tài)較低的主要原因。為此，很多上蓋在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)加入較多的階梯結(jié)構(gòu)或是加強(qiáng)筋來(lái)減小平面面積，但這種改進(jìn)會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)對(duì)模態(tài)的提升卻很有限。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，加強(qiáng)筋與階梯結(jié)構(gòu)最多只能使模態(tài)提升30%左右。

本文提出一種“穹頂”拓?fù)湫问?，可從根本上提高控制器上蓋的模態(tài)。

圖1 控制器上蓋結(jié)構(gòu)示意圖

2 模態(tài)及響應(yīng)幅值仿真分析

2.1 分析內(nèi)容

在相同尺寸邊界下，通過(guò)平板拓?fù)湫问脚c穹頂拓?fù)湫问?，分別設(shè)計(jì)電機(jī)控制器上蓋，在保證固定點(diǎn)數(shù)量、位置，材料都一致的情況下，對(duì)兩種上蓋進(jìn)行仿真分析，對(duì)比兩種上蓋的模態(tài)結(jié)果，評(píng)估改善效果。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于都是根據(jù)同一款電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的上蓋，所以長(zhǎng)寬高尺寸、厚度完全相同，都為290 mm×256 mm×130 mm。兩種上蓋都設(shè)計(jì)有13個(gè)固定點(diǎn)，兩種結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)數(shù)量和位置完全一樣。

《必修2·遺傳與進(jìn)化》模塊的中“生物遺傳”內(nèi)容可劃分為“遺傳規(guī)律”和“遺傳本質(zhì)”兩個(gè)單元，其中“遺傳本質(zhì)”是在學(xué)習(xí)了“遺傳規(guī)律”的基礎(chǔ)之上，探索遺傳物質(zhì)的本質(zhì)及其表達(dá)方式，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)“生物的變異”與“生物的進(jìn)化”奠定基礎(chǔ)?！癉NA是主要的遺傳物質(zhì)”屬于“遺傳本質(zhì)”單元，本節(jié)主要介紹遺傳物質(zhì)本質(zhì)探索歷程中肺炎雙球菌的體內(nèi)外轉(zhuǎn)化和噬菌體侵染大腸桿菌的兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)科學(xué)家經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的深入學(xué)習(xí)與剖析，增強(qiáng)學(xué)生的自主探究能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技能，有助于提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生學(xué)習(xí)了本節(jié)內(nèi)容后，明確了DNA是主要的遺傳物質(zhì)，可為進(jìn)一步探究遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、復(fù)制方式以及其本質(zhì)等指明方向。

圖2是平板式控制器上蓋結(jié)構(gòu)。可以看出，結(jié)構(gòu)存在大面積的平面和階梯式的結(jié)構(gòu)。圖3是穹頂式控制器上蓋結(jié)構(gòu)。拱形曲面代替了原有的平面結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)度和寬度方向上都設(shè)計(jì)有弧度，上蓋類似圓錐的形式。這種穹頂式的設(shè)計(jì)利用控制器上方的高度空間，可以將平面轉(zhuǎn)化為曲面，避免因大面積平面帶來(lái)的模態(tài)降低問(wèn)題。

圖2 平板式控制器上蓋結(jié)構(gòu)

圖3 穹頂式控制器上蓋結(jié)構(gòu)

2.3 材料及計(jì)算

材料選擇鑄鋁，密度為2.71×103kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.346。

網(wǎng)格最小尺寸保證在上蓋厚度方向上有三層以上網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

2.4 計(jì)算結(jié)果

兩個(gè)上蓋取前5階模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，前3階振型基本相同，只有第4階、第5階振型不同。但穹頂式結(jié)構(gòu)所有階次對(duì)應(yīng)的頻率都比平板式結(jié)構(gòu)有大幅提升；并且平板式結(jié)構(gòu)在2 000 Hz內(nèi)有4個(gè)階次，穹頂式結(jié)構(gòu)只有3階，有效避開了關(guān)鍵頻段，稀疏了模態(tài)頻率的分布。

圖5 一階模態(tài)對(duì)比

圖6 二階模態(tài)對(duì)比

圖7 三階模態(tài)對(duì)比

圖8 四階模態(tài)對(duì)比

圖9 5階模態(tài)對(duì)比

根據(jù)對(duì)比，兩種結(jié)構(gòu)形式的上蓋質(zhì)量基本相同。穹頂式結(jié)構(gòu)比平板式結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)提升最大，達(dá)到了104%，對(duì)其余各階次的提升也都在30%以上。表1為兩種結(jié)構(gòu)形式上蓋的模態(tài)對(duì)比，可以明顯看出，穹頂式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地提高模態(tài)值，改善模態(tài)分布。

表1 模態(tài)結(jié)果對(duì)比

兩種結(jié)構(gòu)形式的上蓋主要形變是豎直方向的形變，為了考察兩種上蓋受到激勵(lì)后的響應(yīng)幅值，在兩種上蓋的固定點(diǎn)施加Z方向單位加速度激勵(lì)，頻率范圍：0～2 000 Hz，選取板面相同位置的5個(gè)點(diǎn)，計(jì)算得到的幅值結(jié)果如圖10所示。

圖10 響應(yīng)幅值結(jié)果及曲線(固定點(diǎn)5)

響應(yīng)幅值結(jié)果對(duì)比如表2所示，兩種結(jié)構(gòu)形式的上蓋都是在板中心處響應(yīng)幅值最大，穹頂式上蓋比平板式上蓋的最大幅值降低了58%?？梢悦黠@看出，穹頂式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在提高模態(tài)的同時(shí)，可以有效降低響應(yīng)幅值。

表2 響應(yīng)幅值結(jié)果對(duì)比

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取

以上兩種上蓋是已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品，需要對(duì)其拓?fù)湫问竭M(jìn)行提取，得到一種通用性更強(qiáng)的基本結(jié)構(gòu)形式，使得穹頂式拓?fù)湫问娇梢詰?yīng)用在其他結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)上。提取后的基本結(jié)構(gòu)形式上蓋如圖11所示。

圖11 基本結(jié)構(gòu)形式

具體設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)在基本結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行特征的增加，例如剔槽、起筋等，這些特征結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)模態(tài)和響應(yīng)幅值產(chǎn)生影響。為此，針對(duì)基本結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模態(tài)和響應(yīng)計(jì)算，得到模態(tài)和響應(yīng)幅值的初始值，作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考，如圖12、圖13所示。

圖12 模態(tài)值曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

為提高電機(jī)控制器上蓋模態(tài)，本文提出了一種穹頂式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分別通過(guò)平板式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和穹頂式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩個(gè)電機(jī)控制器上蓋進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比了模態(tài)結(jié)果與振型。結(jié)果表明，穹頂式拓?fù)淠Ｐ涂梢詫㈦姍C(jī)控制器上蓋一階模態(tài)從636 Hz提高到1 299 Hz，提升104%。

圖13 響應(yīng)幅值曲線

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基本結(jié)構(gòu)形式，提取出來(lái)的穹頂式基本結(jié)構(gòu)形式可以應(yīng)用于更多的電機(jī)控制器上蓋設(shè)計(jì)或是類似結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，為提升結(jié)構(gòu)件模態(tài)、改善電動(dòng)汽車NVH問(wèn)題提供了一種有效途徑。