純電動客車振動噪聲特性

史文庫,劉國政,宋海生,陳志勇,張 寶

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春130022;2.一汽-大眾汽車有限公司,長春130011;3.南京依維柯汽車有限公司,南京210028)

0 引 言

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相比,電動車僅僅由電機提供動力,人們往往認為電動車振動噪聲會很小,但是由于發(fā)動機“掩蔽效應”的消失,許多在傳統(tǒng)車上不易發(fā)覺的振動噪聲問題凸顯出來,例如風扇噪聲、齒輪嚙合的振動噪聲、電機電磁振動噪聲等[1-3]。

近些年來,國內(nèi)外許多學者對混合動力汽車、純電動車的振動噪聲問題進行了研究。Pellerey等[4,5]對純電動車的動力傳動系統(tǒng)進行磁固耦合仿真分析,證明車用永磁同步電機的電流諧波對振動噪聲的影響較大。Shin等[6]對某新型電動車的噪聲進行試驗和改進,發(fā)現(xiàn)電動車比同類型的內(nèi)燃機汽車噪聲低10 dB(A),但是電動車高頻噪聲明顯。Wang等[7]認為電動車電機轉(zhuǎn)矩波動會引起整車的低速抖動,特別是當波動的頻率與傳動系諧振頻率接近時。嚴剛等[8]對某純電動汽車車內(nèi)噪聲進行實驗研究,分析了驅(qū)動電機、減速器和電池散熱風扇對車內(nèi)噪聲的貢獻。黃孝慈等[9]分析了混合動力汽車在純電動和混合工況下的噪聲源,得出復合行星排齒輪嚙合是純電動模式下主要噪聲源。方源等[10]對集中驅(qū)動式電動車進行整車臺架試驗,分析了正驅(qū)工況和倒拖工況下動力總成振動噪聲特性,得出電磁噪聲和齒輪嘯叫是電動車主要噪聲源;低速時,動力總成和輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲為車外噪聲的主要來源。朱宇[11]用神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立純電動車聲品質(zhì)的預測模型,分析了驅(qū)動電機對車內(nèi)聲品質(zhì)的影響。郭榮等[12]對燃料電池轎車主要噪聲源進行識別,確定噪聲源為燃料電池輔助系統(tǒng)。

本文以某純電動客車為研究對象,對整車振動噪聲進行道路工況試驗,分析車內(nèi)駕駛員和后排座椅位置振動噪聲特性,得到了在勻速和加速行駛工況下的車內(nèi)振動噪聲的主要激勵源。本文研究可為下一步整車NVH性能提升提供依據(jù)。

1 試驗車輛

試驗車輛為中型客車,車長為6 m,軸距為3.3 m?？蛰d質(zhì)量為3650 kg,滿載質(zhì)量為5200 kg,座位數(shù)17人(含駕駛員)。驅(qū)動電機為永磁同步電機,峰值功率為100 k W。電池為磷酸鐵鋰電池,336 V,200 A·h。

圖1為電動車的結構圖,一共裝有4塊動力電池,均勻布置在車架上。電機布置在底盤中間位置,電機輸出軸通過傳動軸將動力傳遞給后橋,省去了傳統(tǒng)汽車的變速器和離合器,直接通過電機調(diào)速。

圖1 整車結構圖Fig.1 Structure of electric vehicle

2 試驗方案

2.1 試驗目的

對樣車進行加速、勻速工況下車內(nèi)外振動噪聲試驗,分析電動車振動噪聲特性,為下一步電動車振動噪聲的改進提供依據(jù)。

2.2 傳感器的布置位置

試驗儀器包括比利時LMS數(shù)據(jù)采集前端、PCB振動加速度傳感器、B&K聲學麥克、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等。電動車的車內(nèi)噪聲和振動主要來自路面激勵、電機激勵和后橋齒輪嚙合沖擊激勵,車內(nèi)響應點主要是駕駛員和后排座椅位置的振動噪聲。表1為傳感器布置位置。

圖2是聲學麥克的布置位置,根據(jù)《GBT 18697—2002聲學汽車車內(nèi)噪聲測量方法》,在駕駛員和后排座椅分別布置麥克,采集車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)。圖3是駕駛員和后排座椅位置的坐墊傳感器,采集座椅位置的振動加速度信號。圖4是LMS數(shù)據(jù)采集前端,一共40個通道。

表1 傳感器布置位置Table1 Positions of sensors

圖2 聲學麥克的布置位置Fig.2 Positions of acoustic sensors

圖3 坐墊傳感器Fig.3 Vibration sensors for cushions

圖4 LMS數(shù)據(jù)采集前端Fig.4 Data acquisition front-end of LMS

2.3 試驗工況

試驗場地為安徽省定遠汽車試驗場,路面為符合GB 7031規(guī)定的B級路面。試驗內(nèi)容如下:

(1)偏頻試驗。

(2)勻速工況:車輛以40、50、60、70、80、90、100 km/h的車速勻速行駛,采集整車的振動噪聲信號,信號采集時間為20 s。

(3)加速工況:車輛從靜止開始急加速(油門踩到底)到最高車速(100 km/h),采集加速過程整車的振動噪聲信號。

3 試驗結果

3.1 偏頻試驗

偏頻是整車性能的一個重要參數(shù),對分析懸架傳來的路面激勵有重要作用。若要準確測得汽車前(后)懸架的偏頻,需要鎖止后(前)懸架的彈性元件和非簧載質(zhì)量,避免前、后懸架的耦合。但是,與簧載質(zhì)量相比,非簧載質(zhì)量較小,并且大部分汽車的懸掛質(zhì)量分配系數(shù)為0.8～1.2,可以認為前、后懸架簧上質(zhì)量在垂向的運動是相互獨立的[13]。結合試驗場地的條件,采用如下試驗方法對整車進行偏頻試驗:如圖5所示,試驗時,將汽車的前輪(后輪)行駛到梯形硬木板凸塊上并停住,用人力將汽車前輪從凸塊上推下,采集簧上和簧下質(zhì)量的振動曲線。

圖5 偏頻試驗Fig.5 Partial frequency test

前、后懸架偏頻結果如表2所示,對于簧上質(zhì)量的偏頻,前懸架是雙橫臂獨立懸架,偏頻較小;后懸架是整體式車橋,采用單級剛度的多片鋼板彈簧結構,偏頻較大。

表2 偏頻結果(空載)Table 2 Partial frequency results

3.2 勻速行駛工況

3.2.1 駕駛員座椅振動

圖6 駕駛員座椅z向振動頻譜圖Fig.6 Vibration pattern of driver seat in z direction

圖6是駕駛員座椅導軌振動的頻譜圖,其中g＝9.8 m2/s,座椅振動主要是懸架傳來的低頻振動。在所有車速下,都存在1.7 Hz和17 Hz兩個最大的峰值,分別對應前懸架簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量偏頻;500 Hz以上的振動幅值很小,可以忽略。因此,車輛勻速行駛時車內(nèi)座椅振動主要是懸架傳來的路面激勵。

3.2.2 駕駛員位置噪聲

從圖7可知,隨著車速的增加,車內(nèi)噪聲值逐漸變大,但是噪聲主要集中在300 Hz以內(nèi)的中低頻,電機的階次噪聲不明顯。

圖7 駕駛員座椅位置噪聲頻譜圖Fig.7 Noise pattern in driver seat

3.3 勻加速行駛工況

3.3.1 電機激勵分析

永磁同步電機具有大扭矩、體積小等優(yōu)勢,廣泛應用在電動車上。本文所研究的電動車永磁同步電機參數(shù)如下:峰值功率為100 k W;最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min;峰值轉(zhuǎn)矩為1000 N·m;轉(zhuǎn)子極對數(shù)為4;定子開槽數(shù)為48;逆變器開關頻率為4000 Hz。

車用永磁同步電機在變頻器供電條件下,輸入的電壓或電流不是理想的正弦波,而是一系列等幅不等寬的電壓或電流脈沖,對這些脈沖進行傅里葉級數(shù)分解,可以得到一系列的時間諧波[14-17],使電機中產(chǎn)生較大的電磁力波,進而引起電機振動和噪聲的增大。在車輛加速時,電機的振動噪聲尤為明顯。電機的轉(zhuǎn)矩波動方程為[18-20]:

式中:P為極對數(shù);ψ為定子繞組磁鏈;i d和i q分別為d軸和q軸電流;L d和L q分別為d軸和q軸電感;θ為主磁極與相電流的夾角。

對于磁極對數(shù)為P的永磁同步電機,電源頻率fo＝n P/60,其中n為電機的轉(zhuǎn)速。從式(1)可以看出,轉(zhuǎn)矩中存在電流基頻成分,以及基頻的6i倍諧波成分[20]。

圖8為電機近場噪聲的階次追蹤圖,以電機主軸轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速,則電流基頻fo＝np/60為4階,基頻的6i倍諧波分別為24階、48階、72階、96階…從圖8可以看出,在3000 Hz以內(nèi),電機近場噪聲主要為24階、48階、96階,分別對應電流基頻的6倍、12倍和24倍。

圖8 電機近場噪聲階次追蹤圖Fig.8 Order tracking of motor near-field noise

為了分析各個階次噪聲對總噪聲的貢獻量,如圖9所示,對圖8的噪聲進行階次切片分析?？梢钥闯?電機轉(zhuǎn)速在1000 r/min以內(nèi)時,各個階次噪聲相差不大;當轉(zhuǎn)速超過1000 r/min后,電機48階噪聲最大,并且隨著轉(zhuǎn)速的增加,48階噪聲和總噪聲的差值逐漸縮小,說明各階次噪聲對總噪聲的貢獻量越來越大。

圖9 電機噪聲的階次切片圖Fig.9 Order slice plot of motor noise

圖8中,在逆變器開關頻率4000 Hz和8000 Hz附近,存在許多“煙花狀”的諧波激勵,這也是電動車和內(nèi)燃機汽車噪聲階次追蹤圖的最大區(qū)別。這是因為永磁同步電機是由逆變器提供三向交流電,由于電流調(diào)制作用,在定子電流中會存在一系列載波頻率附近的高次諧波成分,頻率為[8,21]:

式中:n1和n2為正整數(shù);fT為變頻器的開關頻率。

圖10為電機高頻噪聲的階次追蹤圖。在4000 Hz附近,電流的3次和5次諧波成分較大;在8000 Hz附近,電流的2次、4次和6次諧波成分較明顯。

圖10 電機高頻噪聲Fig.10 High-frequency noise of motor

綜上分析,可以總結出永磁同步電機主要的激勵頻率如下:

中低頻:fn＝6ifo,i＝1,2,4;

高頻:fn＝n1fT±n2fo;

n1＝1時,n2＝3,5;n1＝2時,n2＝2,4,6。

3.3.2 座椅振動響應

圖11為駕駛員座椅振動的階次追蹤圖,可以看出電機的8階、12階、24階激勵比較明顯。為了對比勻速和加速時電機激勵對駕駛員座椅振動的影響,對階次追蹤圖按速度切片。由于篇幅限制,只分析車速為80 km/h時兩者的差異。

從圖12可以看出,加速和勻速時駕駛員座椅振動的頻譜圖相差不大,駕駛員座椅的振動主要來自于低頻的路面激勵,主要集中在60 Hz以內(nèi)。

圖11 駕駛員座椅振動的階次追蹤圖(z向)Fig.11 Order tracking of vibration in driver seat

圖12 加速和勻速時駕駛員座椅振動(80 km/h)Fig.12 Vibration in driver seat in accelerating and uniform speed under 80 km/h

3.3.3 車內(nèi)噪聲分析

圖13 駕駛員位置噪聲階次追蹤圖Fig.13 Order tracking of vibration in driver seat

從圖13(a)可知,在2000 Hz以內(nèi),存在9階、18階、24階、48階噪聲。其中,9階是后橋主減速器齒輪的嚙合噪聲,因為后橋主減速器的主動錐齒輪齒數(shù)為9,傳動軸每轉(zhuǎn)動一圈,就會產(chǎn)生9次嚙合沖擊,18階是齒頻的二次諧波。24階和48階是電機的電磁噪聲,分別為電流基頻的6倍和12倍。

從圖13(b)可以看出,在高頻只存在4000 Hz附近的電磁噪聲。與圖8相比,8000 Hz附近的電磁噪聲消失。這是由于車身的密封作用,高頻噪聲不能傳到車內(nèi)。高次諧波成分為電流基頻的3倍,頻率f＝4000±3fo。

后橋主減速器齒輪參數(shù)如下:主、從動錐齒輪齒數(shù)分別為9和44;傳動比為4.889。

4 結 論

(1)電動客車勻速行駛時,車內(nèi)座椅的振動主要是由懸架傳來的路面激勵,頻率較低,振動峰值處的頻率基本與懸架的偏頻重合。

(2)與傳統(tǒng)的發(fā)動機不同,永磁同步電機噪聲的階次追蹤圖存在“煙花狀”高頻諧波激勵,和變頻器的開關頻率有關,諧波頻率為fn＝n1fT±n2fo,n1＝1時,n2＝3,5;n1＝2時,n2＝2,4,6。

(3)加速行駛時,由于車身的屏蔽和密封作用,電機高頻噪聲對車內(nèi)影響較小,車內(nèi)4000 Hz附近的諧波激勵頻率f＝4000±3fo。

(4)電機對車外加速噪聲影響較大,頻率高,主觀感受較差,可以提高電機的開關頻率,降低開關頻率諧波噪聲。

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