新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承噪聲分析及改進(jìn)措施

孫玉玲，何浩，顏靜，鄧濤

(1.浙江阿爾法動(dòng)力技術(shù)有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江 嘉興 314000；3.重慶交通大學(xué) 航空學(xué)院，重慶 400074)

隨著國(guó)內(nèi)外新能源汽車的快速發(fā)展，其噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(Noise Vibration Harshness，NVH)等性能逐漸受到關(guān)注，成為衡量汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，如何降低新能源汽車的振動(dòng)和噪聲也成為研究熱點(diǎn)。新能源汽車噪聲來(lái)自于輪胎、空氣動(dòng)力、傳動(dòng)系、電動(dòng)機(jī)等方面，噪聲控制問(wèn)題復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)外對(duì)新能源汽車噪聲的研究取得了一定成果：文獻(xiàn)[1]詳細(xì)介紹了汽車噪聲的主客觀評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[2]分析了新能源汽車驅(qū)動(dòng)總成噪聲的傳遞特性；文獻(xiàn)[3]分析了新能源汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理和頻譜特征。與傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲相比，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)噪聲頻率更高，往往處于人對(duì)噪聲的敏感頻帶，故電動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)整車的乘坐舒適性有重大影響。根據(jù)來(lái)源，電動(dòng)機(jī)噪聲可分為機(jī)械噪聲、電磁噪聲和氣動(dòng)噪聲[4]。

相關(guān)人員對(duì)電動(dòng)機(jī)降噪也做了一定的研究：文獻(xiàn)[5]提出采用聲學(xué)包裹的方法優(yōu)化噪聲，試驗(yàn)證明該方法優(yōu)化效果良好；文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電動(dòng)機(jī)控制策略來(lái)降低車內(nèi)噪聲，基本消除了電動(dòng)機(jī)嘯叫噪聲；文獻(xiàn)[7]基于有限元軟件仿真分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)特性，并通過(guò)在電動(dòng)機(jī)薄弱部位加筋來(lái)降低電動(dòng)機(jī)噪聲。

目前,對(duì)降低電動(dòng)機(jī)噪聲的研究大多集中在消除電動(dòng)機(jī)電磁噪聲，如何消除電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲的研究較少。在此，對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲進(jìn)行研究，分析電動(dòng)機(jī)噪聲的來(lái)源及電機(jī)軸承的受力情況，從電機(jī)軸承材料、參數(shù)選擇對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行優(yōu)化。

1 電機(jī)軸承受力分析

不同類型的新能源汽車，其動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)不同，典型代表有中央電動(dòng)機(jī)橫置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、中央電動(dòng)機(jī)直驅(qū)動(dòng)力結(jié)構(gòu)、中央電動(dòng)機(jī)皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和輪轂/輪邊電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，每種動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)有的特點(diǎn)。選取中央電動(dòng)機(jī)皮帶傳動(dòng)動(dòng)力總成為研究對(duì)象，如圖1所示。

圖1 中央電動(dòng)機(jī)皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

軸承是電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其選型至關(guān)重要。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一就是計(jì)算軸承設(shè)計(jì)壽命及疲勞壽命，確定軸承尺寸。軸承選型不僅要考慮潤(rùn)滑脂老化引起的潤(rùn)滑脂壽命、磨損、噪聲，還要根據(jù)電動(dòng)機(jī)用途對(duì)軸承精度、配合、游隙、保持架、潤(rùn)滑脂、密封結(jié)構(gòu)、裝卸及其他特殊要求綜合評(píng)估[8]。

皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)(圖2)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出端的皮帶徑向力與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重力的夾角為60°。在不同轉(zhuǎn)速n下電動(dòng)機(jī)輸出端持續(xù)受到不同的皮帶徑向拉力，電機(jī)軸承受力如圖3所示，將測(cè)力計(jì)安裝在皮帶上可測(cè)得皮帶徑向力，電動(dòng)機(jī)前后端軸承所受徑向力與皮帶徑向力有如下關(guān)系

(1)

式中：Fnet為皮帶徑向力；F1,F2分別為電動(dòng)機(jī)前后端軸承所受徑向力；Lnet為皮帶至電動(dòng)機(jī)后端軸承的中心距；L1為電動(dòng)機(jī)前后端軸承中心距。

1—電動(dòng)機(jī)中心軸；2—電動(dòng)機(jī)前端蓋；3—電動(dòng)機(jī)后端蓋；4—電動(dòng)機(jī)后端軸承；5—電動(dòng)機(jī)前端軸承。

1—電動(dòng)機(jī)中心軸；2—電動(dòng)機(jī)輸出端；3—電動(dòng)機(jī)前端蓋;4—電動(dòng)機(jī)后端蓋。

根據(jù)(1)式可得在不同轉(zhuǎn)速n下電動(dòng)機(jī)前后端軸承所受的徑向力，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)軸承所受徑向力

為分析電動(dòng)機(jī)前后端軸承對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)，制作了滿足壽命要求的10臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)樣品，電動(dòng)機(jī)前后端軸承分別選用6308-2Z/C3GJN，6206-2Z/C3GJN，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電動(dòng)機(jī)前后端軸承主要參數(shù)

2 電動(dòng)機(jī)噪聲分析

首先測(cè)試電動(dòng)機(jī)工作性能，滿足要求后再測(cè)試NVH性能。

電動(dòng)機(jī)安裝在測(cè)試臺(tái)架上，測(cè)試臺(tái)架原理同圖1，電動(dòng)機(jī)前后端蓋表面各粘貼一個(gè)振動(dòng)傳感器，麥克風(fēng)懸置固定在距離小帶輪10 cm處。

空載下使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用聲級(jí)計(jì)測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)噪聲分貝值在80 dB以下，表現(xiàn)正常。

將電動(dòng)機(jī)裝上臺(tái)架并加載皮帶徑向力測(cè)試，調(diào)整皮帶徑向力為1 600 N，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，使用聽(tīng)診器聽(tīng)到電動(dòng)機(jī)發(fā)出嘀嗒聲。將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加到500 r/min，嘀嗒聲仍然存在。

進(jìn)一步采用NVH專業(yè)設(shè)備(西門子LMS便攜式振動(dòng)噪聲分析儀)采集電動(dòng)機(jī)噪聲，分別在電動(dòng)機(jī)前后端蓋布置振動(dòng)傳感器，麥克風(fēng)布置在小帶輪前端，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為300，500 r/min時(shí)電動(dòng)機(jī)噪聲頻譜如圖4所示。

由圖4a可知：電動(dòng)機(jī)異常聲的頻率在2 800～3 000 Hz之間，噪聲頻率為

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為

可得電動(dòng)機(jī)前端軸承保持架轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為

圖4 電動(dòng)機(jī)噪聲頻譜

式中：Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節(jié)圓直徑；α為接觸角。

由圖4b可知：電動(dòng)機(jī)異常聲的頻率同樣在2 800～3 000 Hz之間，噪聲頻率為

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為

保持架轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為

綜上分析可知：保持架轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與電動(dòng)機(jī)異常聲頻率接近，初步判斷電動(dòng)機(jī)嘀嗒聲是由保持架與鋼球(或軌道輪)碰撞產(chǎn)生。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

保持架與鋼球之間存在間隙，撞擊所產(chǎn)生的振動(dòng)無(wú)法完全避免。降低保持架噪聲的方法主要有：1)增大軸承裝配后的預(yù)緊量；2)優(yōu)化保持架內(nèi)圓兜孔直徑，減小間隙量；3)采用輕量化、耐沖擊、低噪聲、適合高速回轉(zhuǎn)的工程塑料保持架。根據(jù)軸承實(shí)際使用工況，選擇工程塑料保持架來(lái)降低噪聲。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取工程塑料保持架C3游隙軸承與鋼保持架C3游隙軸承進(jìn)行異常聲對(duì)比。同一尺寸的工程塑料保持架軸承有2種型號(hào)，采用油脂不同，使用溫度范圍也有差別,根據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)際裝車狀態(tài)，選擇耐溫范圍更寬的E2系列，主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 尼龍保持架軸承主要參數(shù)

選取3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，對(duì)3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的前后端軸承進(jìn)行了一系列的排列組合試裝，驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)是否有異常聲，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知：僅在前后端軸承全部換成工程塑料保持架時(shí)電動(dòng)機(jī)異常聲才會(huì)消失，這也驗(yàn)證了先前的測(cè)試結(jié)論。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，選擇NVH測(cè)試設(shè)備對(duì)3臺(tái)前后端軸承均換為工程塑料保持架的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。在不同皮帶徑向力和轉(zhuǎn)速下采集的裝有鋼保持架C3游隙軸承和工程塑料保持架C3游隙軸承的電動(dòng)機(jī)噪聲頻譜如圖5所示，鋼保持架軸承的噪聲要高于工程塑料保持架。

表4 不同軸承組合下電動(dòng)機(jī)噪聲表現(xiàn)

綜上分析可知，采用工程塑料保持架可降低噪聲。

圖5 不同徑向力和轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)噪聲頻譜

4 軸承游隙對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲的影響

大多數(shù)情況下，軸承運(yùn)行時(shí)需留有一定的游隙，最佳工作游隙一般為接近于零的正值。軸承類型和尺寸不同，安裝前的初始游隙和安裝后的允許游隙減小量也不同。過(guò)盈配合時(shí)游隙減小量大，則需要更大的初始游隙，以防止軸承預(yù)緊量過(guò)小(負(fù)游隙)。

預(yù)緊有好處，也有風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)軸承剛性要求較高，或軸承存在極輕載荷或無(wú)外載荷時(shí)，需要輕微預(yù)緊。若預(yù)緊量過(guò)大，可能導(dǎo)致軸承過(guò)熱，進(jìn)一步增加預(yù)緊、摩擦和熱量。該情況將一直持續(xù)，直至軸承被卡死。

要確定軸承初始游隙，需首先確定軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的工作游隙。影響軸承工作游隙的因素很多，要綜合考慮軸承公差、配合和組件溫度的影響。軸承所需初始游隙可表示為

G=Gop+ΔGfit+ΔGtemp，

(2)

式中：Gop為軸承工作游隙；ΔGfit為由配合引起的游隙減小量；ΔGtemp為由溫差引起的游隙減小量。

對(duì)裝有不同游隙軸承的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試，試驗(yàn)方案見(jiàn)表5(除游隙外，軸承其余參數(shù)均相同)。前后端軸承游隙由C3調(diào)整至CN時(shí)，根據(jù)壽命計(jì)算，油脂壽命增加了16.7%，軸承壽命增加了6.9%，均滿足壽命要求，裝機(jī)測(cè)試無(wú)異常聲。電動(dòng)機(jī)噪聲頻譜如圖6所示：游隙越小，電動(dòng)機(jī)噪聲越小。

表5 不同游隙軸承組合時(shí)電動(dòng)機(jī)噪聲表現(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)電機(jī)軸承的受力情況及電動(dòng)機(jī)噪聲來(lái)源進(jìn)行分析，并提出采用工程塑料保持架來(lái)代替鋼保持架，以及選取合適的軸承游隙來(lái)降低電動(dòng)機(jī)噪聲的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效降低電動(dòng)機(jī)噪聲。

圖6 不同游隙下電動(dòng)機(jī)噪聲頻譜