李世權(quán),席松濤,王清德,李公哲

(鄭州宇通重工有限公司, 鄭州 451482)

0 引 言

隨著環(huán)衛(wèi)市場化進(jìn)程的加快,生活垃圾不斷增多,“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”進(jìn)入快車道,而環(huán)衛(wèi)車作為其中重要的一環(huán),市場需求逐年遞增。環(huán)衛(wèi)新能源化是未來發(fā)展的趨勢,電動車普遍沒有發(fā)動機與渦輪增壓器等高噪聲寬頻帶聲源,使電驅(qū)動系統(tǒng)噪聲缺乏遮蔽而更為凸顯。隨著人們對環(huán)衛(wèi)車輛NVH性能的要求越來越高,整車作業(yè)噪聲特性成為衡量整車性能的重要指標(biāo),電驅(qū)動系統(tǒng)作為電動車輛主要的噪聲源之一,受到了越來越多的關(guān)注。

1 噪聲問題

新能源清洗車上裝作業(yè)機構(gòu)主要為低壓水路,某款車型新能源采用獨立上裝電機通過傳動軸驅(qū)動低壓水泵形式為低壓水路提供動力。

該車型某批次整車調(diào)試出現(xiàn)上裝作業(yè)噪聲異常問題,通過對該批次訂單車輛進(jìn)行摸底排查發(fā)現(xiàn),位于車輛右側(cè)的低壓水泵作業(yè)時,所有車輛右側(cè)上裝工作平臺處均出現(xiàn)不同程度振響,部分車輛駕駛室區(qū)域出現(xiàn)異常噪聲,影響駕駛員體驗。上裝電機轉(zhuǎn)速處于900～1 200 r/min時,發(fā)生異常噪聲。

通過實車跟蹤觀察,異常噪聲包含兩部分:①電機、控制器護(hù)罩封板與加強筋碰撞“嗒嗒”聲,車輛左側(cè)上裝電機、控制器外圍護(hù)罩與工作臺加強筋間距較小,護(hù)罩為薄壁件,在右側(cè)上裝電機以900～1 200 r/min轉(zhuǎn)速工作時,系統(tǒng)發(fā)生振動,導(dǎo)致護(hù)罩與加強筋撞擊,發(fā)出“嗒嗒”聲;②工作臺振動聲音,低壓水泵以900～1 200 r/min轉(zhuǎn)速工作時,車輛左右兩側(cè)工作臺均表現(xiàn)出明顯振感,由此發(fā)出異常噪聲,經(jīng)驗證,右側(cè)上裝電機工作轉(zhuǎn)速由低到高、由高到低時,均有異常噪聲。針對噪聲①,使用減振膠墊隔離振動,“嗒嗒”聲消失,本文著重介紹噪聲②的分析排查。

2 整車基本情況

2.1 電機及水泵安裝環(huán)境

低壓水泵剛性安裝于右側(cè)工作臺,由上裝電機通過傳動軸直接驅(qū)動,速比1∶1,傳動軸兩端配備萬向節(jié),上裝電機通過V形懸置腳墊安裝于工作臺,工作臺為L形,并由螺栓固定于車架縱梁,L形工作臺底部配備橫向支撐筋提升結(jié)構(gòu)剛度,L形工作臺兩端配有斜向加強筋,上裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工作臺安裝示意圖

上述裝置位于底盤車架外側(cè),外沿?zé)o大型結(jié)構(gòu)遮擋削弱作業(yè)噪聲,作業(yè)機構(gòu)出現(xiàn)噪聲異常時將直接影響NVH性能和噪聲主觀評價。

2.2 電機基本參數(shù)

該車型低壓水泵電機為永磁交流同步電機,永磁體為V形,冷卻方式為水冷,電機主要設(shè)計參數(shù)如表1所示,電機拓?fù)鋱D如圖2所示。

表1 電機基本參數(shù)

圖2 定轉(zhuǎn)子拓?fù)鋱D

低壓水泵電機作為作業(yè)時整車主要噪聲源,外側(cè)無結(jié)構(gòu)件遮蔽,應(yīng)為分析作業(yè)異常噪聲的首選目標(biāo)。

2.3 低壓水泵主要參數(shù)

低壓水泵自帶一級升速齒輪,齒數(shù)分別為45、19,低壓水泵為雙葉片,葉片片數(shù)為6。以水泵輸入轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn),振動階次包含:一級齒輪45階、葉片14.2階(45/19*6)。

3 電機噪聲

根據(jù)產(chǎn)生機理,電機噪聲大致分為電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。

(1)電磁噪聲

電機磁場周期性隨空間變化,引起電磁力,電磁力主要分為徑向電磁力和切向電磁力。徑向電磁力引起定子鐵心徑向振動和變形,切向電磁力引起定子齒部相對于軛部產(chǎn)生彎曲變形振動,徑向振動變形為電磁噪聲的主要貢獻(xiàn),切向變形振動為次要貢獻(xiàn)。定子鐵心與機殼采用過盈剛性配合時,定子鐵心振動通過機殼傳播至周圍空氣,振動可被感知,產(chǎn)生電磁噪聲,電磁噪聲頻率與電流基頻及諧波頻率相關(guān)。

(2)機械噪聲

轉(zhuǎn)子動平衡差時,轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏心會引起噪聲,其頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻或其倍數(shù)頻率。軸承磨損可以引起振動噪聲,主要包含滾珠與內(nèi)圈、滾珠與外圈的摩擦,內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率,保持架的特征頻率。機械噪聲與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻有特定的階次對應(yīng)關(guān)系。

(3)空氣動力噪聲

電機的空氣動力噪聲主要有不規(guī)則轉(zhuǎn)子表面高速摩擦定子內(nèi)腔氣體、鐵心通風(fēng)道、散熱風(fēng)扇引起。本案例中低壓水泵電機為水冷永磁同步電機,轉(zhuǎn)子永磁體為內(nèi)插式,轉(zhuǎn)子表面光滑,空氣動力噪聲對整機貢獻(xiàn)占比較少。

根據(jù)低壓水泵電機主要噪聲類別,該電機72槽16極,轉(zhuǎn)子對中時,電機振動階次包含[1-6]:轉(zhuǎn)子動平衡、偏心,1階、2階振動;電磁力諧波,16階及其倍頻;齒槽轉(zhuǎn)矩,LCM(極數(shù)、齒數(shù))階及其倍頻;控制器高頻載波,開關(guān)頻率。

根據(jù)供應(yīng)商以往質(zhì)量表現(xiàn),電機轉(zhuǎn)子不對中時,存在8階振動可能性的概率較低。電機軸承配置為6309+6307,其內(nèi)外圈振動階次分別為4.95,3.05和4.93,3.07。

4 原因分析

4.1 初步分析

電機與低壓水泵以1 000 r/min運行,使用LMS數(shù)據(jù)采集器對作業(yè)裝置附近噪聲進(jìn)行測試,經(jīng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)頻率為66.6 Hz分量異常,嗓聲幅值偏大,如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速1 000 r/min噪聲頻譜

電機與低壓水泵轉(zhuǎn)速以1 000 r/min穩(wěn)定運行時,水路負(fù)載不變,電機輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動小,可視為恒定負(fù)載。此時,電機與低壓水泵轉(zhuǎn)頻為16.6 Hz(1 000/60),異常頻率為66.6 Hz,階次為4。

上述電機、水泵階次均與此次發(fā)生異常的4階階次不同,初步分析無法鎖定異常噪聲來源。

4.2 再溯源

橫向?qū)Ρ韧脚_另一臺車輛,對比車輛使用與問題車型相同的電機、低壓水泵,水路配置也相同,兩款車型僅電機控制器不同,對比車輛在900～1 200 r/min作業(yè)時無異常振動噪聲。

再次使用LMS數(shù)據(jù)采集器對問題車輛上裝平臺不同位置進(jìn)行振動三向振動加速度數(shù)據(jù)測試,檢測點包括電機安裝座、電機端部、低壓水泵升速箱,測量數(shù)據(jù)經(jīng)頻譜分析分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 轉(zhuǎn)速1 000 r/min電機安裝座振動頻譜

圖5 轉(zhuǎn)速1 000 r/min電機端部振動頻譜

圖6 轉(zhuǎn)速1 000 r/min低壓水泵升速箱振動頻譜

通過振動頻譜分析,電機本體及安裝座均存在66.6 Hz及其諧波的異常振動分量,階次為4階,與噪聲頻率相同,低壓水泵端振動正常,推測4階振動來源于電機側(cè)。拆除水泵及傳動軸,低壓水泵電機無負(fù)載旋轉(zhuǎn),電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min,對電機安裝座、端部進(jìn)行空載振動測試,發(fā)現(xiàn)電機66.6 Hz及其諧波分量異常,鎖定4階異常噪聲來源于電機本體。

更進(jìn)一步采用示波器設(shè)備對電機輸入側(cè)電流采樣,采樣周期為1 s,采樣時電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,電流波形如圖7所示,三相線電流不均勻,波形畸變明顯。經(jīng)MATLAB進(jìn)行傅里葉分解,諧波含量如圖8所示,此時電機轉(zhuǎn)頻為16.66 Hz,電流基頻為133.33 Hz,電機輸入電流含有明顯頻率為61.54 Hz、71.79 Hz、194.9 Hz以及205.1 Hz等電流異常諧波分量。61.54 Hz、71.79 Hz諧波分量對應(yīng)頻率為66.65 Hz,為電流基頻的一半,與4階振動對應(yīng),由此判定工作臺振動激勵主要來自電機控制電流的異常諧波分量。優(yōu)化電流波形減小諧波含量,即可消除該噪聲問題[7-10]。

圖7 轉(zhuǎn)速1 000 r/min電機輸入電流波形

圖8 轉(zhuǎn)速1 000 r/min電機輸入電流頻譜分析

4.3 問題解決

控制器輸出波形畸變,屬于控制缺陷問題,通過優(yōu)化程序策略后,三相電流波形基本平衡,如圖9所示,無明顯畸變。此時電流異常分量66.65 Hz削弱明顯,如圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)速1 000 r/min優(yōu)化后電機輸入電流波形

圖10 轉(zhuǎn)速1 000 r/min優(yōu)化后電機輸入電流頻譜

控制器程序優(yōu)化后,實車測試電機振動,并經(jīng)頻譜分析驗證,4階振動幅值已無明顯異常,如圖11、圖12所示,整車噪聲恢復(fù)正常。取消減振膠墊后,噪聲①也已消除,工作臺及護(hù)罩恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),取消封板與支撐筋之間的減振膠墊。全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)復(fù)測,未出現(xiàn)異常噪聲,問題得以解決。

圖11 轉(zhuǎn)速1 200 r/min優(yōu)化后電機端部振動頻譜

圖12 轉(zhuǎn)速1 200 r/min優(yōu)化后電機安裝座振動頻譜

5 結(jié) 語

面對產(chǎn)品實際問題,通過實車狀態(tài)對比分析,使用LMS數(shù)據(jù)采集器實車測試水泵、水泵升速箱、電機振動和噪聲數(shù)據(jù),根據(jù)傅里葉分解鎖定異常噪聲階次,排除電機、低壓水泵自身結(jié)構(gòu)固有階次。結(jié)合示波器的輸入電流采樣,發(fā)現(xiàn)三相電流不平衡,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)電流諧波存在異常。經(jīng)過對電機控制器控制策略優(yōu)化,消除異常階次,三相電流趨于平衡,作業(yè)異常噪聲消除。本文驗證了基于MATLAB頻譜分析對整車異常噪聲進(jìn)行分析定位的準(zhǔn)確性,為新能源環(huán)衛(wèi)車輛異常噪聲排查過程提供參考。