純電動(dòng)車(chē)二級(jí)隔振電驅(qū)剛體模態(tài)設(shè)計(jì)研究

張學(xué)丘 周昌水 楊精銳 章凡 劉新華

摘 ?要：純電動(dòng)車(chē)電驅(qū)總成剛體模態(tài)頻率較傳統(tǒng)燃油車(chē)的動(dòng)力總成剛體模態(tài)頻率高，容易與底盤(pán)以及車(chē)身模態(tài)耦合，發(fā)生共振，引起路噪低頻轟鳴聲。目前較多的電動(dòng)車(chē)為了降低電驅(qū)嘯叫，提高電驅(qū)的隔振率，電驅(qū)采用二級(jí)隔振系統(tǒng)。二級(jí)隔振系統(tǒng)有兩個(gè)共振峰和一個(gè)反共振峰，相對(duì)于單級(jí)隔振系統(tǒng)增加了共振的風(fēng)險(xiǎn)，但可以利用反共振峰降低副車(chē)架的振動(dòng)。本文通過(guò)三個(gè)不同的樣車(chē)，分別做不同工況的路噪測(cè)試，研究電驅(qū)剛體模態(tài)與路噪的關(guān)系，并總結(jié)得到電驅(qū)總成在整車(chē)上的模態(tài)需要與輪胎和車(chē)身模態(tài)避頻，而在輪胎激勵(lì)力較大的頻率處，可以將電驅(qū)設(shè)計(jì)成吸振器，降低車(chē)架的振動(dòng)，從而降低路噪響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：路噪;二級(jí)隔振;低頻轟鳴;純電動(dòng)車(chē);電驅(qū)動(dòng)總成;剛體模態(tài)

中圖分類號(hào)：U467.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0011-07

A Research on Rigid Body Modal Design of Two-stage Vibration

Isolation Electric Drive System for Battery Electric Vehicles

ZHANG Xue-qiu， ZHOU Chang-shui， YNAG Jing-rui， ZHANG Fan， LIU Xin-hua

（Geely Automobile Research & Development （Ningbo） Co.， Ltd， Ningbo 315336， China）

Abstract： The rigid body modal frequencies of the electric drive system （EDS） of battery electric vehicles （BEV） are higher than that of the powertrain of the traditional fuel vehicles， which are easy to be coupled with the chassis and body modes， causing low frequency ‘Booming road noise. In order to reduce the high-frequency whistling noise and increase the vibration isolation rates of EDS， many BEV adopts two-stage vibration isolation system. The two-stage vibration isolation system has two formats and one anti-formant. It increases the resonance risk compared to one-stage vibration isolation system， but can reduce the vibration of the frame by using the anti-formant. In this paper， the road noise test under different working conditions is carried out on three different sample vehicles to study the relationship between EDS rigid body modes and road noise， and concluded that the EDS rigid body modes， tire modes and body modes need frequency separated， and also EDS can be designed as a vibration absorber at the peak of input force to reduce the vibration of the frame and thus reduce the road noise response.

Key Words： Road Noise; Two-stage Vibration Isolation System; Booming; BEV; Electric Drive System; Rigid Body Modes

純電動(dòng)汽車(chē)為新能源汽車(chē)的一個(gè)重要發(fā)展方向，沒(méi)有燃油動(dòng)力總成的噪聲和激勵(lì)，電動(dòng)車(chē)的車(chē)內(nèi)噪聲比燃油車(chē)有明顯的改善。但是電驅(qū)總成會(huì)產(chǎn)生新的噪聲問(wèn)題，例如高頻嘯叫聲是顧客主要抱怨的問(wèn)題之一。降低高頻嘯叫聲，主要是提高電驅(qū)總成與車(chē)身之間的隔振率。康強(qiáng)等人對(duì)電驅(qū)總成懸置做了研究，得出懸置剛度越低，隔振率越高，嘯叫聲就越低[1]。除了降低懸置剛度提高隔振率，還可以利用雙級(jí)隔振來(lái)提高電驅(qū)總成的隔振率。胡培龍，冼鴻威對(duì)比了單層隔振系統(tǒng)和二級(jí)隔振系統(tǒng)的隔振率，發(fā)現(xiàn)在高頻區(qū)域，二級(jí)隔振系統(tǒng)隔振率遠(yuǎn)高于單級(jí)隔振系統(tǒng)[2]。目前市場(chǎng)上很多純電動(dòng)車(chē)的電驅(qū)總成都設(shè)計(jì)成二級(jí)隔振系統(tǒng)，例如：極氪001，特斯拉系列車(chē)型，奧迪E-tron，蔚來(lái)ES8，小鵬P7等。

相比于傳統(tǒng)燃油車(chē)，電動(dòng)車(chē)的電驅(qū)總成剛體模態(tài)頻率較高，容易與輪胎及車(chē)身模態(tài)耦合，引起路噪低頻轟鳴聲（Booming）。然而目前鮮少有人做過(guò)電驅(qū)剛體模態(tài)對(duì)路噪影響的研究。Stefan Uhlar分析發(fā)現(xiàn)奧迪E-tron車(chē)內(nèi)路噪30-50Hz的峰值來(lái)自于后懸，通過(guò)測(cè)試及仿真分析發(fā)現(xiàn)后副車(chē)架襯套及電驅(qū)懸置靈敏度較高，然后對(duì)后副車(chē)架襯套及電驅(qū)懸置進(jìn)行DOE優(yōu)化，得到最優(yōu)的襯套剛度組合，進(jìn)而降低了路噪低頻峰值[3]，但該文獻(xiàn)未說(shuō)明副車(chē)架和電機(jī)懸置對(duì)路噪影響的機(jī)理。本文通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電驅(qū)總成剛體模態(tài)對(duì)路噪低頻影響較大，通過(guò)對(duì)三輛不同的樣車(chē)做不同工況的測(cè)試，研究二級(jí)隔振的電驅(qū)總成剛體模態(tài)對(duì)路噪的影響。

1 ? ?低頻路噪機(jī)理分析

1.1 ? 粗糙路面和車(chē)輪激勵(lì)

粗糙路面產(chǎn)生的激勵(lì)力隨頻率增加而快速衰減，頻率越低激勵(lì)力越大，在理想狀態(tài)下，輪胎應(yīng)該是減振元件，但在實(shí)際狀態(tài)下，輪胎的模態(tài)，會(huì)產(chǎn)生新的激勵(lì)，成為激勵(lì)源 [4]。

在0-50Hz頻率范圍內(nèi)，輪胎主要有垂向的剛性模態(tài)（18Hz附近）和扭轉(zhuǎn)模態(tài)（35-42Hz），其振型示意圖如圖1所示。在輪胎模態(tài)處，容易產(chǎn)生共振，使得輪芯的振動(dòng)加速度較大，并通過(guò)底盤(pán)傳遞到車(chē)身，進(jìn)而產(chǎn)生較高的車(chē)內(nèi)噪聲。圖2為某樣車(chē)在粗糙路上勻速行駛時(shí)，四個(gè)車(chē)輪的輪芯加速度響應(yīng)曲線。從圖2中可以看出，50Hz以內(nèi)主要有兩個(gè)較大峰值，16Hz的峰為輪芯Z向，對(duì)應(yīng)輪胎的垂直模態(tài)，35-42Hz的峰為輪芯X向，與輪胎的扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)應(yīng)。底盤(pán)與車(chē)身的模態(tài)應(yīng)避開(kāi)這兩個(gè)激勵(lì)源。

1.2 ? 電驅(qū)總成剛體模態(tài)分布

電驅(qū)總成剛體模態(tài)與傳統(tǒng)燃油車(chē)的動(dòng)力總成剛體模態(tài)頻率分布差異較大，文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì)了2款燃油車(chē)和5款純電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力總成剛體模態(tài)分布，發(fā)現(xiàn)燃油車(chē)的動(dòng)力總成剛體模態(tài)頻率范圍為5-20Hz，電驅(qū)總成的剛體模態(tài)頻率范圍為15-50Hz，遠(yuǎn)高于燃油車(chē)。車(chē)身整體模態(tài)、背門(mén)模態(tài)、風(fēng)擋上橫梁模態(tài)頻率一般集中在30-40Hz，燃油車(chē)的動(dòng)力總成剛體模態(tài)與上述車(chē)身模態(tài)完全避開(kāi)，而電驅(qū)動(dòng)總成剛體模態(tài)頻率較高容易與車(chē)身模態(tài)發(fā)生耦合共振，引起車(chē)內(nèi)路噪問(wèn)題。

1.3 ? 模態(tài)避頻

整車(chē)0-50Hz頻率范圍內(nèi)的模態(tài)密度比較低，為避免NVH問(wèn)題，主要考慮各模態(tài)之間的避頻。對(duì)于底盤(pán)模態(tài)，同方向振型的模態(tài)更加需要避開(kāi)，例如：電驅(qū)前后剛體模態(tài)（Tx）與懸架的前后模態(tài)（For-after）避頻，電驅(qū)的垂向模態(tài)（Tz）應(yīng)與懸架的跳動(dòng)模態(tài)（Hop/Tramp）避開(kāi)，否則會(huì)影響整車(chē)舒適性;另外電驅(qū)的側(cè)傾模態(tài)（Pitch）應(yīng)與輪胎的扭轉(zhuǎn)模態(tài)避開(kāi)。

激勵(lì)力從底盤(pán)傳遞到車(chē)身時(shí)，從后懸架傳遞上來(lái)的力更容易激起車(chē)身后部模態(tài)，比如尾門(mén)模態(tài)，后端彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)等，從前懸架傳遞上來(lái)的力更容易激起車(chē)身前部的模態(tài)，比如前頂橫梁模態(tài)，車(chē)身前端彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)等，所以前懸架模態(tài)需要與車(chē)身前部模態(tài)避頻，后懸架模態(tài)與車(chē)身后部模態(tài)避頻。

2 ? 二級(jí)隔振系統(tǒng)特性[5]

有阻尼單自由度和二自由度系統(tǒng)如圖3所示，假設(shè)m1表示副車(chē)架，m2表示電驅(qū)動(dòng)總成。單自由度和二自由度m1的振動(dòng)特性示意圖如圖4所示。當(dāng)柔性連接的副車(chē)架加上電驅(qū)動(dòng)總成后，原本一個(gè)共振峰分裂成兩共振峰，增加了共振的概率。而兩峰中間有個(gè)谷，稱為“反共振峰”，即電驅(qū)振動(dòng)，副車(chē)架靜止不動(dòng)，此時(shí)電驅(qū)總成形成了動(dòng)力吸振器。而“谷”發(fā)生的頻率為 ?，即為電驅(qū)動(dòng)總成的接地剛體模態(tài)頻率。

根據(jù)二自由度系統(tǒng)的特性，首先避免電驅(qū)及副車(chē)架模態(tài)與車(chē)身及輪胎模態(tài)避頻，其次，可以將電驅(qū)設(shè)計(jì)成吸振器，吸振的頻率設(shè)計(jì)在輪芯激勵(lì)力較大的頻率處，用來(lái)衰減副車(chē)架上的振動(dòng)幅值，從而降低副車(chē)架傳遞到車(chē)身上的力。

3 ? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ? 試驗(yàn)一

3.1.1 路噪測(cè)試

某四驅(qū)樣車(chē)A，前電驅(qū)為一級(jí)隔振，后電驅(qū)為二級(jí)隔振，如圖5所示，前后電驅(qū)都是通過(guò)三點(diǎn)懸置安裝在副車(chē)架上，前副車(chē)架與車(chē)身螺栓連接，后副車(chē)架通過(guò)四個(gè)橡膠襯套與車(chē)身連接。

試驗(yàn)一將該樣車(chē)后電驅(qū)總成及驅(qū)動(dòng)半軸拆除，對(duì)比原始狀態(tài)和拆除后電驅(qū)狀態(tài)的路噪。測(cè)試工況：在粗糙路面上以60公里每小時(shí)的車(chē)速勻速行駛，用麥克風(fēng)測(cè)試車(chē)內(nèi)前后排的噪聲如圖6所示，并同時(shí)用加速度傳感器監(jiān)測(cè)后副車(chē)架四個(gè)主動(dòng)點(diǎn)加速度響應(yīng)如圖7所示。從路噪結(jié)果可以看出，前排噪聲，拆掉后電驅(qū)總成后30Hz噪聲降低2dB，但39Hz噪聲增大8dB，后排噪聲拆掉后電驅(qū)后39Hz附近噪聲增大8dB左右，可見(jiàn)后電驅(qū)對(duì)路噪低頻影響較大。從后副車(chē)架Z向振動(dòng)加速度結(jié)果可以看出，拆除后電驅(qū)后，40Hz附近后副車(chē)架的Z向振動(dòng)大幅變大。后副車(chē)架的振動(dòng)趨勢(shì)與路噪的趨勢(shì)一致，由于后副車(chē)架的Z向振動(dòng)變大，導(dǎo)致路噪40Hz變差，后副車(chē)架為主要傳遞路徑。

3.1.2底盤(pán)模態(tài)仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步研究路噪變化的機(jī)理，對(duì)這兩種狀態(tài)的后懸架模態(tài)進(jìn)行仿真分析。其中拆除后電驅(qū)總成后，后副車(chē)架的pitch為40.7Hz，與輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合，模態(tài)振型如圖8所示：

原始狀態(tài)電驅(qū)接地和整車(chē)工況下的模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出電驅(qū)接地工況下側(cè)傾模態(tài)為43Hz，與輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率接近，初步判斷電驅(qū)形成了吸振器效果，故原始狀態(tài)后副車(chē)架主動(dòng)端40Hz附近的振動(dòng)比拆除電驅(qū)后狀態(tài)明顯降低，而由于拆除電驅(qū)后，副車(chē)架側(cè)傾模態(tài)與輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合，導(dǎo)致副車(chē)架Z向加速度在40Hz附近產(chǎn)生較大峰值。對(duì)于30Hz路噪，由于原始狀態(tài)，電驅(qū)在整車(chē)工況下的俯仰和側(cè)傾模態(tài)分別為29.8Hz和32.6Hz，與尾門(mén)前后整體模態(tài)（32Hz）耦合，導(dǎo)致路噪在30Hz附近增大。

3.2 ? 試驗(yàn)二

3.2.1 路噪測(cè)試

某前驅(qū)樣車(chē)B，前電驅(qū)為一級(jí)隔振，后副車(chē)架與車(chē)身柔性連接，如圖9所示。試驗(yàn)二做三種狀態(tài)的試驗(yàn)，狀態(tài)一：原始狀態(tài);狀態(tài)二：在與車(chē)身柔性連接的后副車(chē)架上通過(guò)三點(diǎn)懸置裝上后電驅(qū)總成，不裝傳動(dòng)半軸，電驅(qū)形成二級(jí)隔振系統(tǒng);狀態(tài)三：將狀態(tài)二的電驅(qū)橡膠懸置換成鋁塊，即電驅(qū)與后副車(chē)架剛性連接。該試驗(yàn)是為了驗(yàn)證試驗(yàn)一原始狀態(tài)比拆除后電驅(qū)狀態(tài)路噪40Hz顯著降低是否由于電機(jī)的質(zhì)量作用抑制了后副車(chē)架的振動(dòng)。

三種狀態(tài)的樣車(chē)分別在同樣的粗糙路面以60公里每小時(shí)的車(chē)速勻速行駛，用麥克風(fēng)監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)噪聲。路噪結(jié)果如圖10所示。結(jié)果顯示，裝上二級(jí)隔振的電驅(qū)后，路噪低頻普遍降低，與試驗(yàn)一結(jié)果一致。而將電驅(qū)的懸置換成鋁塊使得電機(jī)只有質(zhì)量作用，低頻路噪反而變差，也即當(dāng)電驅(qū)總成只有質(zhì)量作用的時(shí)候，并未能抑制副車(chē)架低頻的振動(dòng)幅值。

3.2.2 底盤(pán)模態(tài)仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步研究路噪結(jié)果的根本原因，對(duì)各狀態(tài)的電驅(qū)總成及后副車(chē)架在整車(chē)狀態(tài)下的剛體模態(tài)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)表2：

從表2中可以看出，原始狀態(tài)副車(chē)架的剛體模態(tài)大于60Hz，50Hz以內(nèi)并未與車(chē)身及輪胎模態(tài)耦合。裝上后電驅(qū)后，電驅(qū)Pitch模態(tài)為35.0Hz，與輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率接近，有耦合風(fēng)險(xiǎn)，故35Hz附近狀態(tài)二比狀態(tài)一的路噪變差2dB左右。狀態(tài)三，后副車(chē)架+后電驅(qū)整體Pitch模態(tài)為45.2Hz，輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)為35-42Hz，有耦合風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致該頻段車(chē)內(nèi)路噪較大。

從圖8中可以看出，狀態(tài)二的路噪在40-50Hz頻段內(nèi)路噪最低，為此仿真計(jì)算狀態(tài)二電驅(qū)總成的接地工況的剛體模態(tài)，結(jié)果見(jiàn)表3。其中電驅(qū)的Pitch模態(tài)頻率為40.9Hz，即電驅(qū)在40.9Hz起到了吸振器作用。

3.3 ? 試驗(yàn)三

3.3.1 路噪測(cè)試

某四驅(qū)樣車(chē)C，與樣車(chē)B同款車(chē)型，前電驅(qū)為一級(jí)隔振，后電驅(qū)為二級(jí)隔振，如圖5所示。試驗(yàn)三做三種狀態(tài)試驗(yàn)，狀態(tài)一：原始狀態(tài);狀態(tài)二：將后電驅(qū)三個(gè)懸置的剛度調(diào)大;狀態(tài)三：在狀態(tài)二的基礎(chǔ)上，將后副車(chē)架前點(diǎn)襯套剛度調(diào)大。

三種狀態(tài)樣車(chē)分別在同樣的粗糙路面上以60公里每小時(shí)的車(chē)速勻速行駛，監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)噪聲如圖11所示和后副車(chē)架主動(dòng)端振動(dòng)加速度如圖13所示，以及后輪輪芯振動(dòng)加速度如圖12所示。從路噪結(jié)果可以看出，狀態(tài)三低頻路噪最好，中排和后排33Hz路噪峰值較狀態(tài)一降低8dB左右。從圖12左后輪芯加速度響應(yīng)對(duì)比曲線看，三種狀態(tài)輪芯加速度差異不大，X向激勵(lì)力峰值均在36-40Hz，說(shuō)明路噪的差異并非激勵(lì)力的差異引起。從圖13后副車(chē)架主動(dòng)端振動(dòng)對(duì)比可以看出，狀態(tài)三后副車(chē)架30-40Hz頻段內(nèi)的X和Z向振動(dòng)加速度最低，與路噪現(xiàn)象一致。

3.3.2 底盤(pán)模態(tài)測(cè)試及仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步研究副車(chē)架振動(dòng)及路噪變化的原因，對(duì)各狀態(tài)的電驅(qū)總成在整車(chē)狀態(tài)下的剛體模態(tài)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)表4。其中狀態(tài)一和狀態(tài)二電驅(qū)側(cè)傾模態(tài)分別為35.0Hz、38.2Hz，都與輪芯X向激勵(lì)力36-40Hz耦合（圖10左后輪X向振動(dòng)加速度），因此這兩個(gè)狀態(tài)都在30-40Hz有較大峰值，而狀態(tài)三電驅(qū)側(cè)傾模態(tài)為50.5Hz，避開(kāi)激勵(lì)力10Hz。

三種狀態(tài)的電驅(qū)接地模態(tài)仿真結(jié)果見(jiàn)表5。狀態(tài)一側(cè)傾模態(tài)為40.9Hz，電驅(qū)總成的側(cè)傾模態(tài)在41Hz附近形成吸振器效果。狀態(tài)二和狀態(tài)三側(cè)傾模態(tài)為65.1Hz，與輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率相差25Hz，無(wú)法形成吸振器，而這兩個(gè)狀態(tài)的垂向接地模態(tài)為34.3Hz，可以做成Z向的吸振器。

而最終體現(xiàn)在車(chē)內(nèi)噪聲的結(jié)果，除了與底盤(pán)相關(guān)，還與車(chē)身噪聲傳函相關(guān)，所以需要綜合考慮。

4 ? ?總結(jié)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，電驅(qū)剛體模態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)主要有以下兩個(gè)原則：

1. 電驅(qū)總成剛體模態(tài)首先要考慮避頻。電驅(qū)側(cè)傾模態(tài)與輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)至少避頻5Hz以上，與車(chē)身模態(tài)避頻3Hz以上，其中車(chē)身模態(tài)主要為整體模態(tài)、大鈑金模態(tài)以及背門(mén)模態(tài)，或者與車(chē)身噪聲傳函峰值避頻。

2. 二級(jí)隔振系統(tǒng)的電驅(qū)總成，可以將電驅(qū)的側(cè)傾或者垂向剛體模態(tài)設(shè)計(jì)成吸振器，降低輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)引起的車(chē)架振動(dòng)幅值，從而降低車(chē)內(nèi)路噪。

參考文獻(xiàn)：

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張學(xué)丘

畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)就職于吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司，任主任工程師，主要研究方向?yàn)椋赫?chē)NVH仿真及性能開(kāi)發(fā)工作，已發(fā)表論文稿5篇。

專家推薦語(yǔ)

章國(guó)光

湖北工業(yè)大學(xué)

電機(jī)系統(tǒng)控制與汽車(chē)電動(dòng)化 ?教授

論文針對(duì)純電動(dòng)車(chē)電驅(qū)剛體系統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)，對(duì)代表性的隔振方案開(kāi)展試驗(yàn)研究與分析，并總結(jié)了設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。本論文分析問(wèn)題的思路清晰并有試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，具有較高的工程價(jià)值。