純電動汽車動力總成懸置系統(tǒng)隔振分析與改進設計*

查云飛 陳越 劉成武 侯乃仁 吳平

（福建工程學院，福建省汽車電子與電驅(qū)動技術重點實驗室，福州 350118）

主題詞：純電動汽車 懸置系統(tǒng) 嘯叫問題 隔振率 改進設計

1 前言

汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration and Harshness，NVH）性能是影響汽車乘坐舒適性的關鍵因素。動力總成是純電動汽車振動噪聲的主要激勵源之一，合理設計動力總成懸置系統(tǒng)可有效提高車輛乘坐舒適性。

趙集駕駛卡車，駛?cè)肽静膱觥Ｒ蛔∩剿圃?，將被運往井下，支撐巷道，支撐掌子面，支撐起密如蛛網(wǎng)的地下世界。趙集和裝卸工們搭跳板，卸木材。何良諸在木堆間轉(zhuǎn)悠，一些孩子和老人，騎在一棵棵原木上，用刮刀鏟下樺樹皮，打成捆，拿回家引火，拿到集上賣。何良諸說不出的親切，小時候，他沒少剝樹皮呀。何良諸對一個男孩說：“來，我?guī)湍銊?。?/p>

目前，國內(nèi)外對懸置系統(tǒng)隔振性能進行了廣泛研究。對普通燃油車而言，懸置系統(tǒng)匹配優(yōu)化的重點在于改善多缸發(fā)動機的扭矩波動，隔振率提升的重點在于布置優(yōu)化、模態(tài)設計和解耦水平。純電動汽車懸置系統(tǒng)隔振性能提升的方法與傳統(tǒng)燃油車存在較大差異，電機的扭矩波動較小，但扭矩高于燃油發(fā)動機，因此純電動汽車懸置系統(tǒng)匹配優(yōu)化需考慮高扭矩帶來的高頻隔振問題。

本文以某款純電動汽車懸置系統(tǒng)為研究對象，針對隔振性能，從結(jié)構(gòu)傳遞路徑角度提出一種新的懸置系統(tǒng)隔振率改進方法，從而有效減少動力總成傳遞至駕駛艙的噪聲。

2 噪聲激勵源與成因識別

2.1 噪聲激勵源識別

通過主觀評價發(fā)現(xiàn)，某款純電動汽車在光滑瀝青路面低速行駛時，駕駛艙內(nèi)有明顯的尖銳嘯叫噪聲，嚴重影響了車輛駕駛安全性和乘坐舒適性。在消聲環(huán)境的四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓試驗室內(nèi)，測試在0～120 km/h 的加速工況下駕駛員耳旁噪聲，存在與主觀評價同等的嘯叫問題。因此可排除風噪和路面激勵的原因，確定嘯叫噪聲激勵源為動力總成系統(tǒng)。

a.左懸置支架的兩側(cè)完全包裹焊接；

張家界地處湖南西部，處于武陵山腹地，擁有豐富的歷史文化資源與人文資源，在利用這些資源時要突出張家界特有的，獨一無二的優(yōu)勢特征，并要保持其優(yōu)勢的持久性與穩(wěn)定性。張家界旅游演藝應立足當下，在已有題材的基礎上進行創(chuàng)新，引進先進的技術擴充舞臺效果、進行劇本創(chuàng)新，同時挖掘更深層次的文化內(nèi)涵，利用自己獨特的民族文化資源來發(fā)展旅游演藝品牌。

2.2 噪聲成因識別

動力總成及懸置系統(tǒng)設計完成后，和的取值基本確定，而可通過修改被動側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，因此本文考慮通過提升懸置被動側(cè)支架安裝點的動剛度提升隔振性能。

圖1 距離電機1 m位置的整車噪聲測試

圖2 電驅(qū)動臺架測試

圖3 減速器一級齒輪噪聲

圖4 減速器二級齒輪噪聲

圖5 48階電磁噪聲

通過濾波回放，減速器一、二級齒輪的階次噪聲頻率與主觀評價嘯叫問題頻率一致，該嘯叫主要發(fā)生頻段為600～800 Hz。

于蓬等人總結(jié)了純電動汽車動力總成嘯叫聲頻段分布區(qū)間及傳遞路徑，如表1所示。由表1可知，600～800 Hz頻段嘯叫的傳遞路徑主要為結(jié)構(gòu)傳遞。

表1 動力總成嘯叫聲分布及傳遞路徑

綜上，該款純電動汽車嘯叫問題激勵源為動力總成，由減速器一、二級齒輪引起，通過結(jié)構(gòu)路徑傳遞至駕駛艙。

3 懸置系統(tǒng)隔振性能測試

3.1 傳遞路徑分析

動力總成通過三點懸置系統(tǒng)安裝在副車架上，副車架與車身連接，如圖6 所示。其中，三點懸置系統(tǒng)分別為左懸置、右懸置和后懸置，每個懸置由主動側(cè)支架、懸置橡膠、被動側(cè)支架組成，如圖7 所示。動力總成振動的傳遞路徑為：動力總成—懸置系統(tǒng)—副車架—車身—駕駛艙。

由于柱塞泵的沖次高達370次／min，在密封函內(nèi)做往復運動的柱塞與其配合的盤根、導向環(huán)、彈簧座以及壓套的摩擦力很大。隨著運行時間的延長，它們之間的配合間隙不斷加大，導致盤根刺漏嚴重，從而使密封失效，增大了泵的容積損失，降低了柱塞泵的效率。經(jīng)過對部分具有代表性的柱塞泵的運行情況的統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：在343次停泵工況中，由盤根漏失造成的停泵206次，占總停泵次數(shù)的60.1%；由柱塞磨損造成的停泵105次，占總停泵次數(shù)的30.6%；由其他因素造成停泵32次，占總停泵次數(shù)的9.3%。

圖6 電機與副車架裝配實物

圖7 懸置系統(tǒng)實物

車身的固有頻率在20～100 Hz范圍內(nèi)，副車架的固有頻率在60～200 Hz 范圍內(nèi)。因此，針對懸置系統(tǒng)在約束狀態(tài)下的固有頻率，采用HyperWorks 對該款純電動汽車懸置系統(tǒng)進行計算，得出懸置系統(tǒng)支架的一階彎曲模態(tài)，振型如圖8所示。

（144）尖葉扁萼苔 Radula kojana Steph.馬俊改（2006）；楊志平（2006）；李粉霞等（2011）

圖8 懸置支架一階彎曲模態(tài)振型

該懸置系統(tǒng)支架的一階彎曲模態(tài)為646 Hz，在600～800 Hz 頻段內(nèi)，與動力總成的問題噪聲頻段相符。懸置系統(tǒng)作為衰減動力總成振動、減少結(jié)構(gòu)噪聲傳播的重要隔振系統(tǒng)，卻未能達到理想效果，故對懸置系統(tǒng)不同方向的隔振率進行測試分析。

3.2 隔振率機理分析

隔振率是表征隔振效果的常用物理量。隔振率越大，通過隔振器傳遞的力越小，隔振效果越顯著，隔振性能越好。工程中為了量化隔振性能，一般采用懸置元件隔振率的數(shù)值指標來評價懸置系統(tǒng)的隔振性能。此時，隔振率的計算公式為：

式中，為隔振率的分貝形式；為主動側(cè)的加速度；為被動側(cè)的加速度。

b.內(nèi)側(cè)支架的翻邊擴寬至副車架最外沿；

3.3 隔振率數(shù)據(jù)分析

在各懸置支架主、被動側(cè)粘貼加速度傳感器，并利用力錘在傳感器附近進行敲擊，應用LMS SCADAS采集振動加速度信號，如圖9、圖10 所示。對5 次試驗數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)所得加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）計算懸置系統(tǒng)各方向的隔振率和傳遞率，結(jié)果如表3所示。

圖9 加速度傳感器安裝示意

圖10 加速度傳感器安裝位置

表2 各懸置不同方向加速度 g

表3 懸置系統(tǒng)不同方向的隔振率 dB

由表3 可知，左懸置方向最為薄弱，隔振率僅為5.79 dB，不足20 dB，不滿足隔振性能要求。

由圖6可知，使用平均粒徑為75 μm石英粉為原料合成的硬硅鈣石纖維體積密度為73.5 kg/m3；隨著石英粉粒度的減小，合成的硬硅鈣石纖維體積密度逐漸降低，當石英粉平均粒徑為23 μm時，硬硅鈣石纖維體積密度最低僅為70.4 kg/m3。石英粉粒度繼續(xù)減小時，合成的硬硅鈣石纖維體積密度也隨之增大，石英粉平均粒徑為18 μm時合成的硬硅鈣石纖維體積密度增大至79.5 kg/m3。由此可見，本試驗中較適宜的石英粉平均粒徑為23 μm。

對左懸置的隔振率進行進一步測試，結(jié)果如圖11所示。方向和方向主動側(cè)振動量與被動側(cè)振動量差值明顯，數(shù)值曲線無重合，實現(xiàn)了有效隔振。但方向主動側(cè)振動量與被動側(cè)振動量差值較小，部分曲線交叉重合，表明從主動端傳遞到被動端的振動量未發(fā)生明顯變化，隔振率不達標。

圖11 副車架左懸置隔振率

根據(jù)上述分析，3 個懸置都起到了一定的隔振作用，但是左懸置的隔振性能較差，在方向未達到隔振性能要求，進而未能有效衰減動力總成的振動量，導致駕駛艙內(nèi)可感知到明顯的嘯叫聲。

我叮囑老公看好兒子，別讓他碰到桌上的牛奶。結(jié)果兒子還是把牛奶打翻了，灑了一地。老公怕被我責備，在我發(fā)火之前就開口訓斥兒子：“你看你做的好事！”

4 改進設計

4.1 改進設計機理分析

c.增加向連接，且左懸置內(nèi)、外支架料厚均由2.0 mm增至2.5 mm。

式中，為隔振系統(tǒng)剛度；為懸置主動側(cè)剛度；為懸置剛度；為懸置被動側(cè)剛度。

式（2）可變換為：

為判斷動力總成嘯叫的成因，在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓及電驅(qū)動臺架上進行對比測試，檢測嘯叫發(fā)生的頻段與所屬階次。按照整車坐標系，分別在距離電機1 m位置的+和+方向布置丹麥Brüel&Kj?r 4180型麥克風，如圖1、圖2所示。該麥克風采集的頻率范圍為1 Hz～20 kHz，誤差為0.02 dB。采用西門子數(shù)據(jù)采集前端LMS SCADAS，通過Test.Lab Signature Testing–Standard 模塊進行數(shù)據(jù)采集及后處理，以此得出距離電機1 m位置的噪聲聲壓級，如圖3～圖5 所示。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在整車測試中減速器的一級齒輪噪聲和二級齒輪噪聲聲壓級在700 Hz附近存在明顯峰值，48階電磁噪聲在3 000 Hz附近存在明顯峰值。

通過分析已知，左懸置方向隔振率差，為了解決動力總成嘯叫問題，可通過提高左懸置中支架部分在被動側(cè)（副車架上安裝點）的動剛度提升懸置系統(tǒng)在問題頻段的隔振率。

4.2 改進方案確定

通過對隔振率的機理分析，采用的措施主要為：

中國何時能夠發(fā)生社會革命？中國社會革命究竟采用何種范疇的社會主義，大概也是要按照國情和國民性決定的。未到實行的時候，我們也不能預先見到，所以不敢說中國應實行多數(shù)主義，卻又不敢說中國一定不適宜多數(shù)主義。

達摩克利斯是希臘神話中暴君狄奧尼修斯的寵臣，他常說帝王多福，以取悅帝王。有一次，狄奧尼修斯讓他坐在帝王的寶座上，頭頂上掛著一把僅用一根馬鬃系著的利劍，以此告訴他，雖然身在寶座，利劍卻隨時可能掉下來，帝王并不多福，而是時刻存在著憂患。

越大，表明隔振性能越好。當≥20 dB 時，表明該懸置系統(tǒng)從主動側(cè)傳遞到被動側(cè)的振動量削弱了90%及以上，滿足隔振性能要求。

由懸置主動側(cè)、懸置、懸置被動側(cè)組成的隔振系統(tǒng)的剛度計算公式為：

4.3 改進分析與結(jié)果

動剛度試驗測得的直接結(jié)果為原點加速度導納（Input Point Inertance，IPI）曲線。IPI的計算公式為：

為簡化表述，只考慮某在裝發(fā)動機E的渦輪WL、燃燒室RSS、減速器JSQ三個部件，假設E目前處于第1次裝試的部裝狀態(tài)，WL部裝已開始但尚未完成，RSS,JSQ部裝已完成。發(fā)動機E的數(shù)據(jù)世系如表1所示。

式中，為被動側(cè)支架安裝點的動剛度；為對應的頻率。

降水中的穩(wěn)定同位素D與18O在補給過程中，將大氣D與18O的信號傳遞給地下水，地下水在滲透的過程中使得水中同位素的含量發(fā)生變化，這些變化為地下水來源調(diào)查提供了基礎[15]。地下水的δD與δ18O含量在垂向上具有明顯的分層特點，整體表現(xiàn)為隨著地下水的埋藏深度的增加，地下水的δD與δ18O值逐漸偏負，指示著地下水不同含水層段上水力聯(lián)系微弱[16]。

由式（4）可知，IPI的值與動剛度成反比，即IPI的值越大，動剛度越小。

利用HyperWorks對改進方案進行仿真，改進前、后的仿真方案如圖12、圖13所示。

圖12 懸置系統(tǒng)改進前仿真方案

圖13 懸置系統(tǒng)改進后仿真方案

通過OptiStruct 后處理計算分析，得到左懸置被動側(cè)支架方向的IPI曲線。左懸置改進前、后的IPI曲線對比如圖14所示。

圖14 左懸置Y方向被動側(cè)支架改進前、后的IPI曲線

由圖14 可知，通過仿真，在600～800 Hz 問題頻段，IPI曲線出現(xiàn)明顯下降，表明左懸置方向動剛度提升，在0～1 600 Hz全頻段達到了10 N/m以上。

對改進方案進行實車驗證，應用LMS SCADAS采集左懸置主、被動側(cè)支架的振動加速度，數(shù)據(jù)如表4 所示。根據(jù)加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1），計算改進后左懸置各方向的隔振率和傳遞率，其中左懸置方向隔振率為20.12 dB，大于20 dB，達到隔振率要求。

表4 左懸置不同方向加速度 g

采用2.2節(jié)中的方法對距離電機1 m處的噪聲進行測試，結(jié)果如圖15 所示，結(jié)果表明，電機嘯叫在600～800 Hz頻段平均降低8 dB(A)。

圖15 改進前、后的車內(nèi)噪聲聲壓級對比

結(jié)合主觀評價，懸置系統(tǒng)改進后電機嘯叫聲改善十分明顯，駕駛舒適性提高，方案有效。

5 結(jié)束語

本文以某款純電動汽車動力總成懸置系統(tǒng)為研究對象，采用整車四輪轉(zhuǎn)鼓和電驅(qū)動臺架試驗對動力總成系統(tǒng)固有特性進行分析，得出駕駛艙內(nèi)嘯叫問題的原因為左懸置方向隔振率不足。根據(jù)隔振機理，對左懸置被動側(cè)支架動剛度進行改進設計，并通過實車進行了驗證。驗證結(jié)果表明，左懸置方向隔振率從5.79 dB 增強至20.12 dB，距離電機1 m 位置的噪聲聲壓級平均降低8 dB(A)，有效提升了懸置系統(tǒng)隔振率，可為后續(xù)動力總成懸置系統(tǒng)的開發(fā)設計提供參考。后續(xù)會持續(xù)關注該方案對被動安全的剛性壁障碰撞、移動漸進變形壁障碰撞及懸置支架安裝點局部結(jié)構(gòu)強度的影響。

①根據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場模擬試驗結(jié)果，采用8 cm或10 cm作為砂漿過渡層施工厚度都能夠達到很好的黏結(jié)、緩沖和防滲作用，且力學性能和適應變形能力差別不大，考慮到經(jīng)濟因素，選擇8 cm作為推薦施工厚度。