馮旭翀 劉 淵 鄧劍波
(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院,廣東 廣州 511434)
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH(Noise、Vibration、Harshness)測(cè)試主要指的是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪聲、振動(dòng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的測(cè)試,目前國(guó)內(nèi)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH測(cè)試方法主要參考QC/T 1132—2020[1]和GB/T 18488.2—2015[2]進(jìn)行。而電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測(cè)試的結(jié)果與以下因素有關(guān)系:
(1)被測(cè)電機(jī)本體參數(shù),包括電機(jī)的極對(duì)數(shù)、齒槽數(shù)、電機(jī)殼體與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的固有共振頻率等;
(2)電機(jī)控制器的開(kāi)關(guān)頻率;
(3)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架及半消聲室產(chǎn)生的背景噪聲等;
(4)麥克風(fēng)、聲學(xué)電纜等測(cè)量?jī)x器的測(cè)試精度等。
因此,一個(gè)性能優(yōu)異的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室可以為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測(cè)試提供一個(gè)良好的測(cè)試環(huán)境,協(xié)助研發(fā)工程師迅速定位NVH問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因。本文將重點(diǎn)討論如何進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)NVH實(shí)驗(yàn)室的工藝設(shè)計(jì)。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH測(cè)試流程如下:
(1)首先需準(zhǔn)備好電機(jī)及電機(jī)控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))NVH測(cè)試所需要的測(cè)量?jī)x器及設(shè)備,包括且不限于高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架、半消聲室、數(shù)據(jù)采集儀、麥克風(fēng)、加速度傳感器、絕緣低噪聲電纜、CAN信號(hào)采集電纜、風(fēng)球、噪聲和振動(dòng)校準(zhǔn)器等;
(2)準(zhǔn)備N(xiāo)VH測(cè)試用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架和半消聲室,保證臺(tái)架及半消聲室所產(chǎn)生的背景噪聲至少比電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲低10 dB[3];
(3)保證高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架以及麥克風(fēng)等聲學(xué)測(cè)量設(shè)備正常運(yùn)行,并符合GB/T 6882—2016[4]中11.5的1級(jí)精度要求;
(4)保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下的峰值扭矩、峰值功率、持續(xù)扭矩、持續(xù)功率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;
(5)參考QC/T 1132—2020附錄B,在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)周邊的指定位置進(jìn)行麥克風(fēng)和振動(dòng)傳感器測(cè)量點(diǎn)的布置;
(6)讓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在試驗(yàn)大綱要求的試驗(yàn)工況下,并用數(shù)據(jù)采集軟件記錄噪聲及振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù);
(7)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲及振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析,試驗(yàn)結(jié)束。
根據(jù)調(diào)研分析,本文對(duì)現(xiàn)有的三種主流電驅(qū)動(dòng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案進(jìn)行了性能對(duì)比。
如圖1所示,方案A的結(jié)構(gòu)形式是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝端面為反射面,其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場(chǎng)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:
圖1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案A
(1)其聲學(xué)材料主要采用非對(duì)稱(chēng)吸聲結(jié)構(gòu)或?qū)掝l復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu);
(2)由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝端面為反射面,沒(méi)有安裝吸聲材料,故電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架傳動(dòng)軸系可采用短軸形式,傳動(dòng)軸系整體長(zhǎng)度不超過(guò)1.0 m,臺(tái)架的峰值轉(zhuǎn)速可達(dá)到20 000 r/min,可滿(mǎn)足高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH測(cè)試和動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試需求;
(3)半消聲室的建設(shè)尺寸最小,建設(shè)成本最低。
如圖2所示,方案B的結(jié)構(gòu)形式是半消聲室的反射面為半消聲室的地面,其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場(chǎng)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:
圖2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案B
(1)其聲學(xué)材料既可以采用尖劈吸聲結(jié)構(gòu),也可以采用寬頻復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu);
(2)由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)量中心為半消聲室的中心位置,因此電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架需采用碳纖維長(zhǎng)軸形式,臺(tái)架的整體傳動(dòng)軸系需達(dá)到2.0 m以上,傳動(dòng)軸系的一階模態(tài)共振轉(zhuǎn)速為16 000 r/min,故臺(tái)架的峰值轉(zhuǎn)速不能超過(guò)16 000 r/min,不能滿(mǎn)足高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試需求;
(3)半消聲室的建設(shè)尺寸最大,建設(shè)成本最高。
如圖3所示,方案C的結(jié)構(gòu)形式是半消聲室的反射面為實(shí)驗(yàn)室的地面,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝端面為無(wú)聲學(xué)材料的楔形結(jié)構(gòu),其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場(chǎng)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:
圖3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案C
(1)由于受聲學(xué)結(jié)構(gòu)限制,聲學(xué)材料只能采用寬頻復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu);
(2)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聲學(xué)測(cè)量中心為半消聲室的中心位置,但由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝端面不能安裝聲學(xué)材料,需對(duì)該部分的背景噪聲和環(huán)境噪聲進(jìn)行參數(shù)修正,對(duì)聲學(xué)測(cè)量精度有一定影響;
(3)臺(tái)架的整體軸系不超過(guò)1.0 m,臺(tái)架的峰值轉(zhuǎn)速可達(dá)到20 000 r/min,既可滿(mǎn)足高速電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH測(cè)試需求,也可滿(mǎn)足電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試需求;
(4)半消聲室的建設(shè)尺寸中等,建設(shè)成本中等。
綜合考慮聲學(xué)性能指標(biāo)、臺(tái)架性能指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本等因素,最終選擇方案A作為本次高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。
本文中的半消聲室參數(shù)需滿(mǎn)足GB/T 3767—2016[5]中使用半球法測(cè)量電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聲功率的測(cè)試需求。考慮新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪聲頻率多為500~7 000 Hz的高頻率單調(diào)音,同時(shí)參考QC/T 1132—2020中第4.1.2條建議的測(cè)試頻率范圍為中心頻率100~20 000 Hz(1/3倍頻帶),考慮一定的測(cè)量余量,本文中的半消聲室噪聲測(cè)量截止頻率選擇為63 Hz。
背景噪聲確定,半消聲室在所有設(shè)備停止工作時(shí)的背景噪聲為20dB(A),僅開(kāi)啟空調(diào)時(shí)背景噪聲為25dB(A)。參考QC/T 1132—2020中第4.2條表2內(nèi)容,測(cè)試方法為1級(jí)精度的半球法,ΔL≥10 dB。通過(guò)選取合適的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總噪聲平均值,可以計(jì)算出電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架在各位置各轉(zhuǎn)速下的背景噪聲限值要求。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架噪聲限值測(cè)試麥克風(fēng)布置如圖4所示,具體噪聲限值如圖5所示。
圖4 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架噪聲限值測(cè)試麥克風(fēng)布置圖(俯視圖)
圖5 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架在各轉(zhuǎn)速下的背景噪聲限值要求
半消聲室自由場(chǎng)半徑確定,參考GB/T 6882—2016[5]中8.2的相關(guān)要求,測(cè)量半徑r≥λ/4和0.75 m中的較大者,其中λ為聲波波長(zhǎng),由于半消聲室的最低測(cè)量頻率為63 Hz,由公式λ=c/f(c為聲波在空氣中的傳播速度,f 為聲波頻率)可得其聲波波長(zhǎng)λ=c/f=(340 m/s)/63 Hz≈5.4 m,測(cè)量半徑r≥λ/4=5.4 m/4=1.35 m,考慮一定的測(cè)量余量,取半消聲室的自由場(chǎng)半徑r=1.5 m。
半消聲室自由聲場(chǎng)測(cè)得的聲壓級(jí)與平方反比定律理論值的最大允許偏差確定,參考GB/T 6882—2016以及歐洲主流主機(jī)廠(chǎng)的半消聲精度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),確定其自由場(chǎng)偏差如下:在中心頻率≤630 Hz時(shí),自由聲場(chǎng)的允許偏差≤±1.5 dB;在中心頻率>800 Hz時(shí),自由聲場(chǎng)的允許偏差≤±1.0 dB。
半消聲室隔振參數(shù)確定,半消聲室周邊的其他設(shè)備振動(dòng)源會(huì)對(duì)聲學(xué)測(cè)試精度造成一定影響,如測(cè)功機(jī)間運(yùn)行中的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架等設(shè)備。為了隔斷其他設(shè)備通過(guò)地面?zhèn)鱽?lái)的振動(dòng),半消聲室需置于隔振系統(tǒng)之上,隔振系統(tǒng)的固有頻率需≤10 Hz,隔振效率≥95%,減振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性形變的載荷范圍應(yīng)該比較寬,最大可用載荷應(yīng)是最小可用載荷的5倍。
半消聲室的內(nèi)部尺寸確定,參考GB/T 3767—2016的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,有以下4條原則:
(1)最低的1/3倍頻程中心頻率為63 Hz的半消聲室,其半消聲室的最小體積應(yīng)≥200×聲源體積[6],本文中測(cè)試的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積≤0.22 m3;
(2)為了減少頻率簡(jiǎn)并對(duì)半消聲室聲場(chǎng)均勻性的影響,半消聲室內(nèi)房的長(zhǎng)寬高尺寸比例應(yīng)不規(guī)則;
(3)半消聲室的最長(zhǎng)限度Imax≤1.9 V1/3;
(4)考慮半消聲室存在回聲調(diào)制問(wèn)題,需借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,對(duì)半消聲室內(nèi)的聲學(xué)模態(tài)進(jìn)行抑制。
綜合考慮以上4點(diǎn)原則,可以計(jì)算出本文中半消聲室的內(nèi)房最優(yōu)尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4.9 m×7.5 m×7.1 m。
高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架組成及關(guān)鍵參數(shù)確定,臺(tái)架主要由永磁同步測(cè)功機(jī)、變頻柜、扭矩傳感器、測(cè)功機(jī)隔音降噪裝置、高速傳動(dòng)軸系、電池模擬器、電驅(qū)冷卻液溫控系統(tǒng)以及臺(tái)架上位機(jī)控制軟件組成。考慮未來(lái)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往高轉(zhuǎn)速、高電壓平臺(tái)、高功率密度、高度集成化、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)方向發(fā)展,最終確定本文中的臺(tái)架的峰值穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為20 000 r/min,額定扭矩為500 N·m,臺(tái)架的轉(zhuǎn)速控制精度為±1 r/min,臺(tái)架的轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力為8 000 r/s。
本文通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的聲學(xué)性能指標(biāo)、臺(tái)架性能指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本等維度,最終選擇方案A作為本文中高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。然后對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的主要工藝參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算,最終確定了半消聲室及高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架的主要參數(shù)指標(biāo),為高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH系統(tǒng)測(cè)試夯實(shí)了基礎(chǔ)。