搭載行星減速器的純電動客車振動試驗研究*

張邦基，林 祥，譚博歡，王少華，曾夢媛，金秋談

（湖南大學(xué)，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

前言

在汽車電動化的背景下，純電動客車得到了廣泛的推廣應(yīng)用。相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機，驅(qū)動電機能在更廣的速度范圍內(nèi)提供相對恒定的功率［1］，因此純電動客車可采用僅由主減速器提供傳動比的中央直驅(qū)構(gòu)型［2］。中央直驅(qū)構(gòu)型客車傳動比較小，因而對電機的輸出轉(zhuǎn)矩提出更高要求［3］。這導(dǎo)致電機成本增加，且長期處于大轉(zhuǎn)矩大電流的工作狀態(tài)［4］。為解決這一問題，純電動車常搭載固定傳動比減速器或多擋變速器。然而，減速器或變速器的引入，導(dǎo)致整車的振動特性發(fā)生顯著的改變。為此，學(xué)者和工程技術(shù)人員展開了大量的研究。Zeng 等［5］對安裝多擋自動變速器的純電動客車開展試驗研究，發(fā)現(xiàn)該純電動客車動力總成與驅(qū)動橋間的耦合振動通過動力總成懸置和V 形桿傳遞至車內(nèi)，從而造成車內(nèi)地板抖動。于蓬等［6］對某集中驅(qū)動式純電動汽車開展振動試驗研究，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動汽車存在更顯著的機電耦合現(xiàn)象與齒輪撞擊、嘯叫現(xiàn)象，其瞬態(tài)振動更劇烈。傅洪等［7］針對電動汽車的電機-變速器耦合導(dǎo)致的傳動軸振動問題，提出了一種線性二次型調(diào)節(jié)器結(jié)合觀測器的電機控制方案，抑制了系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動。

行星減速器是一種質(zhì)量輕、體積小、傳動效率高的減速裝置，其在電動汽車上的應(yīng)用得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。Wang 等［8］指出行星減速器具有高效率高減速比的優(yōu)勢，在汽車電動化和電機動力總成集成化的趨勢下，有很好的應(yīng)用前景，但行星減速器同時也會加劇純電動車的瞬態(tài)振動。對于行星齒輪機構(gòu)的振動噪聲特性，也有學(xué)者開展了研究［9-10］。張容川等［10］針對車用CVT 行星輪機構(gòu)齒輪嘯叫問題，開展測試分析并通過齒輪修形改善其噪聲特性。但純電動客車作為一個有別于乘用車的復(fù)雜系統(tǒng)，其傳動鏈尺寸長，傳遞轉(zhuǎn)矩大，不同部位振動特性差異大［11］，搭載行星減速器后，純電動客車的振動特性必將更加復(fù)雜，但鮮有文獻對此展開深入的研究。

本文中針對搭載行星減速器的純電動客車，開展實車振動試驗，并詳細(xì)分析整車的振動特性。首先，基于實車振動數(shù)據(jù)采用計權(quán)加速度均方根值和頻譜分析方法評價和分析客車的乘坐舒適性和振動的主要頻率成分；其次，根據(jù)振動頻率成分采用常相干分析研究車內(nèi)地板振動與激勵源振動的相關(guān)性，并結(jié)合階次分析方法探討振動的主要來源。同時，與中央直驅(qū)式純電動客車進行對比分析，評價行星減速器對純電動客車振動舒適性的影響。

1 試驗用車動力傳動系統(tǒng)

為研究行星減速器對純電動客車車內(nèi)振動特性的影響，針對搭載行星減速器的純電動客車（下文簡稱：行星減速客車）開展實車振動測試，并與中央直驅(qū)式純電動客車（下文簡稱：中央直驅(qū)客車）進行對比分析。純電動客車動力傳動系統(tǒng)布置如圖1 所示。行星減速客車動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：動力由永磁同步電機產(chǎn)生，通過行星減速器減速后，經(jīng)由傳動軸傳遞至主減速器。其中永磁同步電機與行星減速器集成為一體，構(gòu)成該客車的電機動力總成。中央直驅(qū)客車無變速器，動力由電機直接經(jīng)傳動軸傳至驅(qū)動橋主減速器。試驗用車動力傳動系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示，兩車除電機動力總成不同外，其他結(jié)構(gòu)均相同。兩車針對相同的應(yīng)用場景進行設(shè)計，整車動力學(xué)性能相同。

圖1 純電動客車動力傳動系統(tǒng)對比

表1 動力傳動系統(tǒng)主要參數(shù)

相比于定軸輪系，行星輪系中齒輪不僅需要繞軸轉(zhuǎn)動，還需要公轉(zhuǎn)，其振動激勵呈現(xiàn)多樣化，振動特性較為復(fù)雜［12］。為研究行星減速器振動特性及其對整車振動特性帶來的影響，對行星減速器在正常工況下與故障下的頻率成分進行分析。行星減速器的嚙合頻率［13］為

為便于比較，本文假設(shè)行星架轉(zhuǎn)頻為n（t），即

太陽輪絕對轉(zhuǎn)頻為

圖2 行星減速客車動力傳動系統(tǒng)

行星輪絕對轉(zhuǎn)頻為

式中Zp為行星輪齒數(shù)。

行星減速器故障按物理現(xiàn)象進行分類，可分為分布型故障和局部型故障兩大類；按照信號特征進行分類，可分為平穩(wěn)型故障、沖擊型故障和復(fù)合型故障3 類［14］，不同故障其調(diào)制邊帶特征不同。其中，太陽輪平穩(wěn)型故障下，信號調(diào)制邊帶中存在太陽輪特殊頻率的頻率特征，其定義如下［14］：

利用上述公式可計算出不同轉(zhuǎn)頻和故障特征頻率，此外，定義傳動軸為參考軸，計算各轉(zhuǎn)頻和特征頻率所對應(yīng)階次，計算結(jié)果如表2 所示。行星輪系在運轉(zhuǎn)過程中，行星齒輪的公轉(zhuǎn)會引起調(diào)制現(xiàn)象從而導(dǎo)致更加復(fù)雜的調(diào)制邊帶特征［15-16］。本文中對頻譜及邊帶特征進行分析，判斷行星輪系故障類型；并研究行星減速器對客車振動特性的影響。

表2 部件轉(zhuǎn)頻與特征頻率及對應(yīng)階次計算值

2 實車振動試驗

本文中針對行星減速客車與中央直驅(qū)客車開展實車振動試驗。兩試驗用車傳感器布置位置相同，車內(nèi)部分傳感器安裝位置如圖3 所示，具體布置如表3所示。試驗環(huán)境、道路和車輛條件滿足國標(biāo)GB/T 12534—90《汽車道路試驗方法通則》與GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》的相關(guān)要求。本文研究對象均為純電動城市公交客車，城市公交客車在服役中車速通常不超過40 km/h，且存在大量變速工況，故制定如表4 所示包含勻速工況與急加速工況的試驗方案。

表3 整車道路試驗傳感器布置

表4 整車道路試驗方案

3 試驗分析

純電動客車作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，其不同部位振動特性差異大，單一的振動分析方法無法全面地研究客車的振動特性，為此，需要綜合應(yīng)用不同評價分析方法開展分析。本文中應(yīng)用計權(quán)均方根加速度評價的方法評價待測客車在不同工況下的振動舒適性；應(yīng)用頻譜分析的方法確定影響車內(nèi)振動舒適性的頻率成分；應(yīng)用常相干分析的方法研究車內(nèi)振動成分與行星減速器之間的相關(guān)性大小；最后通過階次分析的方法研究行星減速器的故障類型，探討車內(nèi)振動來源。

3.1 計權(quán)均方根加速度

為評價兩客車振動舒適性，本文參照國標(biāo)GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1 部分：一般要求》計算試驗用車在30、40 km/h 勻速工況下車內(nèi)乘客區(qū)振動計權(quán)均方根加速度。此外，國標(biāo)指出：當(dāng)計權(quán)均方根加速度值大于0.315 m/s2時，人體感受為開始感覺到“有點不舒適”。因此本文以0.315 m/s2作為臨界值進行計權(quán)均方根加速度評價。

車內(nèi)乘客區(qū)中部及后部測點計權(quán)均方根加速度值如圖4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，從整體來看行星減速客車乘客區(qū)振動舒適性優(yōu)于中央直驅(qū)客車，但在40 km/h 勻速工況下行星減速客車車內(nèi)中部地板（下文簡稱車內(nèi)中部）振動舒適性明顯降低，且劣于中央直驅(qū)客車，如圖4（a）所示；而中央直驅(qū)客車在40 km/h勻速工況下車內(nèi)后部地板（下文簡稱車內(nèi)后部）振動舒適性明顯惡化，且超出臨界值，如圖4（b）所示。因此，后續(xù)針對40 km/h勻速工況開展分析。

圖4 計權(quán)均方根加速度

3.2 頻譜分析

針對40 km/h 勻速工況開展頻譜分析。圖5 和圖6 分別為動力傳動系統(tǒng)、車內(nèi)頻譜。圖5（a）表明，行星減速客車電機振動在20、40、62、82、96、124 和144 Hz 處出現(xiàn)峰值，其中20 和40 Hz 分別對應(yīng)行星架轉(zhuǎn)頻fc及其二倍頻；62 和124 Hz 分別對應(yīng)太陽輪轉(zhuǎn)頻f(r)s及其二倍頻2f(r)s；而82和144 Hz則分別對應(yīng)以太陽輪轉(zhuǎn)頻及以其二倍頻為中心頻率、以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的邊頻；96 Hz 對應(yīng)行星輪轉(zhuǎn)頻f(r)p，電機動力總成處振動頻譜特征與太陽輪平穩(wěn)型故障下頻譜特征及邊帶特征相似［14］。中央直驅(qū)客車未出現(xiàn)以上頻率成分峰值。對比圖5 電機與驅(qū)動橋振動頻譜可發(fā)現(xiàn)，兩車驅(qū)動橋處振動主要集中在低頻，且幅值明顯低于電機動力總成處的振動。

圖5 動力傳動系統(tǒng)測點振動頻譜

圖6 （a）表明，行星減速客車車內(nèi)中部14、124 和144 Hz 處出現(xiàn)峰值。14 Hz 處峰值是使行星減速客車車內(nèi)中部振動舒適性劣于中央直驅(qū)客車的主要原因，這一峰值僅在車內(nèi)中部出現(xiàn)，未在動力傳動系統(tǒng)出現(xiàn)，說明這一頻率峰值與電機動力總成及主減速器無關(guān)，可能由路面輸入或者車架結(jié)構(gòu)的固有振動引起。124、144 Hz處峰值對振動舒適性也有一定影響。圖6（b）表明，20 Hz 以下低頻段，中央直驅(qū)客車振動幅值高于行星減速客車，考慮到人體對低頻振動的敏感程度高于中高頻，這解釋了車內(nèi)后部中央直驅(qū)客車振動舒適性劣于行星減速客車的現(xiàn)象。

3.3 常相干分析

圖6 車內(nèi)測點振動頻譜

上文頻譜分析表明行星減速客車車內(nèi)主要振動頻率成分與行星減速器有關(guān)。為分析車內(nèi)振動與行星減速器振動之間的相關(guān)性大小，分別計算電機動力總成振動與車內(nèi)中部、車內(nèi)后部振動之間的常相干函數(shù)［17-19］，得到如圖7所示的常相干函數(shù)曲線并開展常相干分析。

觀察圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)，行星減速客車電機至車內(nèi)中部常相干函數(shù)曲線在124 和144 Hz 處存在峰值，這表明行星減速客車車內(nèi)中部這兩個頻率處的峰值由電機動力總成引起；同樣地，通過圖7（b）可以推斷，行星減速客車車內(nèi)后部20、62 和124 Hz 頻率處峰值也由電機動力總成引起。

此外觀察圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，中央直驅(qū)客車電機至車內(nèi)后部常相干函數(shù)在20 Hz 以下低頻段函數(shù)值接近1，這說明車內(nèi)后部低頻段振動主要由電機引起。值得注意的是，電機在運轉(zhuǎn)過程中自身振動以電磁力激勵引起的中高頻的振動為主［20］，此處電機低頻振動與電機或底盤結(jié)構(gòu)振動相關(guān)的可能性更大。由于中央直驅(qū)客車沒有采用行星減速，因此其傳動系統(tǒng)整體減速比較小，這使得電機長期處于高轉(zhuǎn)矩、大電流的工作狀態(tài)［4］，電機的體積質(zhì)量也更大。對比表1 所示兩車電機參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，中央直驅(qū)客車為滿足動力性需要，所搭載的驅(qū)動電機質(zhì)量和輸出轉(zhuǎn)矩都明顯大于行星減速客車。兩車電機結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作狀態(tài)的差異是導(dǎo)致兩車電機動力總成低頻振動特性差異的原因，也是造成中央直驅(qū)式客車車內(nèi)后部振動舒適性劣于行星減速客車車內(nèi)后部的原因。

圖7 電機動力總成振動與車內(nèi)振動常相干函數(shù)

但行星減速器運轉(zhuǎn)過程中，出現(xiàn)62、124 和144 Hz 處振動峰值，分別對應(yīng)太陽輪轉(zhuǎn)頻f(r)s、太陽輪轉(zhuǎn)頻的二倍頻2f(r)s、太陽輪轉(zhuǎn)頻的二倍頻附近以行星架轉(zhuǎn)頻為間隔的調(diào)制邊頻2f(r)s+ fc。其中2f(r)s、2f(r)s+ fc頻率處峰值傳遞至車內(nèi)中部，一定程度上降低了行星減速客車車內(nèi)中部振動舒適性。

3.4 階次分析

圖8 行星減速客車電機動力總成振動階次跟蹤

為探明車輛瞬態(tài)工況振動特性，并對行星減速器的故障類型進行研究，針對加速工況開展階次分析。圖8 為加速工況下兩車電機動力總成振動階次跟蹤圖。由圖可知：①行星減速客車電機振動主要集中于較低階次成分，圖中可觀察到最高階次成分為114 階的行星減速器齒輪嚙合階次（Om），該階次成分下振動幅值較小，且附近沒有其他階次存在，如圖8（a）所示。若行星減速器發(fā)生故障，輪齒故障的特征頻率會出現(xiàn)在齒輪嚙合頻率的邊頻帶上［12-13］，因此可排除行星減速器輪齒故障。②由圖8（b）可知，行星減速客車的電機動力總成存在明顯的1 階、2.11 階、3.11 階、4.11 階、5.22 階等階次成分，分別對應(yīng)表2 中的可見動力總成的振動主要由行星架和太陽輪的運動所致。③中央直驅(qū)式客車電機處不存在以上階次成分，其主要包含1 階、2 階、6 階、8 階等整數(shù)倍階次成分，幅值均較小，而小于1 階的低階成分幅值較大，如圖8（c）所示。其中整數(shù)倍階次成分由電機電磁激勵和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起，低階成分與結(jié)構(gòu)振動有關(guān)。

圖9 行星減速客車電機動力總成振動階次譜

進一步分析對應(yīng)的階次譜圖。通過圖9（a）可以發(fā)現(xiàn)：行星減速客車電機階次譜中存在行星架旋轉(zhuǎn)階次Oc與行星輪旋轉(zhuǎn)階次除此之外，還出現(xiàn)了以太陽輪旋轉(zhuǎn)階次及其倍頻為中心階次，以行星架轉(zhuǎn)頻Oc為調(diào)制階次的調(diào)制邊帶在上文頻譜分析中也可觀察到這一調(diào)制邊帶，如圖5（a）所示，階次譜與頻譜體現(xiàn)的邊帶特征表明該行星減速器存在太陽輪平穩(wěn)型故障的可能。此外，在太陽輪旋轉(zhuǎn)階次與其左側(cè)的邊帶與附近，還出現(xiàn)太陽輪特殊頻率Δfs對應(yīng)階次ΔOs，如圖9（b）所示。太陽輪平穩(wěn)型故障下各邊帶耦合會導(dǎo)致該成分［14］，據(jù)此可進一步斷定，行星減速器出現(xiàn)了太陽輪平穩(wěn)型故障。

行星減速客車電機階次切片如圖10 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：3.1階振動幅值隨著轉(zhuǎn)速上升而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過700 r/min 后，3.11 階振動幅值遠(yuǎn)大于其他階次的幅值。太陽輪平穩(wěn)型故障包括太陽輪均勻磨損與太陽輪偏心［14］，考慮到本文試驗用車為未投入使用的新車，可排除太陽輪磨損的情況，因此可以斷定行星減速器出現(xiàn)太陽輪偏心的故障，這一故障可由太陽輪軸制造裝配誤差導(dǎo)致。提高電機動力總成制造裝配精度可改善這一情況。

圖10 行星減速客車電機動力總成振動階次切片

4 結(jié)論

本文中針對某搭載行星減速器純電動客車，開展實車振動試驗，并對比中央直驅(qū)式純電動客車，通過計權(quán)均方根加速度評價、頻譜分析、常相干分析與階次分析相結(jié)合的方法，分析行星減速器純電動客車振動特性和振動來源，并評價行星齒輪減速器對車內(nèi)振動舒適性的影響，得出以下結(jié)論。

（1）行星減速器具有高效率高傳動比等特點，可為純電動客車提供期望的傳動比，從而降低電機所需提供的輸出轉(zhuǎn)矩、改善電機工作狀態(tài)。這使搭載行星減速器的純電動客車車內(nèi)后部振動舒適性優(yōu)于中央直驅(qū)式客車。

（2）瞬態(tài)工況下，行星減速客車電機動力總成呈現(xiàn)以太陽輪旋轉(zhuǎn)階次及其倍頻為中心階次以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制階次的調(diào)制邊帶，并出現(xiàn)太陽輪特殊階次，且存在明顯的3.11 階振動。這說明行星減速器存在太陽輪平穩(wěn)型故障，由太陽輪偏心所致。

（3）行星減速器太陽輪偏心的平穩(wěn)型故障導(dǎo)致行星減速客車車內(nèi)中部振動信號中出現(xiàn)以太陽輪轉(zhuǎn)頻二倍頻為中心頻率，行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的調(diào)制邊帶，一定程度上影響客車車內(nèi)中部振動舒適性。提高電機動力總成制造裝配精度可避免軸不對中故障的產(chǎn)生，從而消除行星減速器對客車振動舒適性的影響。