面向通用化模塊化開發(fā)的電驅(qū)NVH性能集成

劉紅領，藺 磊，朱志文

面向通用化模塊化開發(fā)的電驅(qū)NVH性能集成

劉紅領，藺 磊*，朱志文

（恒大恒馳新能源汽車研究院，上海 201616）

為應對產(chǎn)品通用化對整車性能集成帶來的挑戰(zhàn)，文章研究討論了在通用化模塊化開發(fā)策略下，電驅(qū)系統(tǒng)噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）性能控制及電動車整車NVH性能集成應對方案。電驅(qū)系統(tǒng)通用化為電動汽車開發(fā)普遍采用的平臺化策略，文章重點從驅(qū)動系統(tǒng)本體和傳遞路徑兩方面研究討論了對應的NVH開發(fā)策略。從脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式、齒輪精度、電磁結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)等方面，盡量降低驅(qū)動系統(tǒng)本體的振動噪聲；同時利用模態(tài)解耦、布置、聲學包、密封、隔振和智能聲場修飾技術(shù)等多種技術(shù)，基于“傳遞路徑”的優(yōu)化、聲聲傳遞路徑和聲振傳遞路徑來實現(xiàn)整車NVH性能的差異化要求。

通用化；模塊化；性能集成；電驅(qū)NVH

在整車開發(fā)過程中，實施通用化模塊化戰(zhàn)略，能夠縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費用、提升可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。與此同時，還可以減少采購成本、制造設施投入、精簡制造流程、提升售后服務便利度。因此，產(chǎn)品平臺化和通用化成為提升公司競爭力的重要手段，這已經(jīng)是全球汽車行業(yè)的普遍共識[1]。

通用化工作固然可以帶來巨大的效益，但也給整車性能集成帶來一系列的挑戰(zhàn)。對于整車性能來說，不同車型往往針對不同的潛在客戶，性能屬性需要有針對性的差異化開發(fā)，而通用化需求則意味著對應的模塊和零部件具備同樣的實際性能。

整車性能集成在項目前期完成二級開發(fā)計劃和關(guān)鍵開發(fā)關(guān)鍵路徑后，就會基于企劃目標完成整車技術(shù)目標設定，并進一步分解到子系統(tǒng)和零部件的技術(shù)要求。

從整車角度來看，任何單一零部件都有可能出現(xiàn)性能不足或性能過設計的情況。在通用化策略推進過程中，通用化零部件為了適配高端車型的需求，更容易出現(xiàn)性能過設計的情況。整車性能集成需要充分考慮通用化零部件的實際性能，完善整車技術(shù)目標體系，以達成合理的整車性能，滿足整車技術(shù)開發(fā)目標[2-4]。

本文討論了通用化模塊化整車開發(fā)策略下電驅(qū)本體噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能控制技術(shù)及電動車整車NVH性能集成應對方案，并探討了模塊化通用化的整車性能集成設計。

1 通用化模塊化開發(fā)策略

為提升通用化率，必須在項目前期完成車型平臺開發(fā)策略，并制定相應的通用化模塊化開發(fā)策略[5]。

其中，重點是下車身及底盤系統(tǒng)的開發(fā)，需要提前充分考慮多個車型的設計需求和制造需求。一般性總體策略是最大限度保持關(guān)鍵力傳遞路徑不變，并通過車身帶寬架構(gòu)件來調(diào)節(jié)車輛在、、方向的變化，以實現(xiàn)平臺拓展和車型演化。

1.1 前艙系統(tǒng)

前艙系統(tǒng)集成了動總、底盤、熱管理、內(nèi)外飾等多個關(guān)鍵系統(tǒng)，且對于碰撞安全、結(jié)構(gòu)強度等整車性能都有非常重要的影響，所以同平臺車型前艙的力傳遞主路徑和結(jié)構(gòu)設計都會保持不變，而防撞梁、減震塔以及外造型件等部分零件根據(jù)不同車型需求進行適配，如圖1所示。

圖1 前艙系統(tǒng)的通用化匹配策略

為了提高通用化率，一般根據(jù)最高配置車型進行匹配設計開發(fā)，同時做好其他車型的設計保護，特別是動總系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)等。

1.2 地板系統(tǒng)

前地板系統(tǒng)受座椅布置、電動車動力電池布置、軸距尺寸變化等因素綜合影響，一般保持主體車身座椅橫梁不變，座椅橫梁上增加支架的方式實現(xiàn)高度變化；在與電池匹配的方向，各平臺車型保持一致，向調(diào)整長度匹配電池向變化。通過改變前地板后端區(qū)域來滿足不同車型的軸距變化，與此同時，通過調(diào)整門檻外板的變化來調(diào)整車身寬度，如圖2所示。

圖2 前地板系統(tǒng)的通用化匹配策略

后地板因受到后排座椅布置，后懸架形式變化、后驅(qū)動類型變化、后懸變化等因素的影響，相應的平臺變化較多，但原則上關(guān)鍵力傳遞路徑和縱梁形式保持不變。為了充分保護后縱梁主體的沿用性，后縱梁可分為兩段，前端在車型變化時不受影響；而后端包括后防撞梁、外造型件等部分零件，以適應不同車型變化進行調(diào)整，如圖3所示。

圖3 后地板系統(tǒng)的通用化匹配策略

在車體架構(gòu)和底盤架構(gòu)的通用化匹配策略制定和開發(fā)過程中，需同步進行動力總成、電子電器等系列零件的通用化和模塊化策略制定，以及通用化零部件的設計開發(fā)和性能集成。

2 通用化零部件電驅(qū)NVH性能開發(fā)

通用化零部件性能設計，是整車性能集成設計的起始重要參考點，各屬性部門從開始就要參與定義通用化零部件的設計，確認通用化零件是否滿足各個屬性的整車開發(fā)要求[6]。

在整車性能開發(fā)路徑中，通用化零部件由于需要適配多個車型平臺，其性能目標及設計優(yōu)化需特別關(guān)注。通常，潛在的通用化零部件眾多，牽涉到動力總成、電子電器、底盤、車身、內(nèi)外飾等系統(tǒng)內(nèi)的眾多零部件。其中，驅(qū)動系統(tǒng)通用化是汽車行業(yè)普遍采用的通用化策略，對于電動汽車，電驅(qū)動系統(tǒng)就是典型的通用化零部件。

電驅(qū)動系統(tǒng)在運行過程中，會帶來車內(nèi)外噪聲和整車抖動等一系列NVH問題。按照“源－路徑－響應”的NVH開發(fā)思路，首先需要從電驅(qū)系統(tǒng)源頭盡量加以控制。同樣，通用化模塊化開發(fā)一般也是按高配性能的設計要求進行設計保護。

目前，國內(nèi)的電動汽車普遍采用高功率密度、低扭矩波動和小物理尺寸的永磁同步電機。從NVH表現(xiàn)來說，電機NVH性能問題主要包含脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）解調(diào)噪聲、齒輪階次噪聲、電磁階次噪聲等。

永磁同步電機一般采用PWM系統(tǒng)供電，由PWM系統(tǒng)將電池的直流電轉(zhuǎn)換成與電機轉(zhuǎn)速匹配的交流電，故存在以PWM開關(guān)頻率為基頻的載波頻率所引起的調(diào)制解調(diào)噪聲。如圖4所示，在隨著電機轉(zhuǎn)速變化過程中，載波頻率不變，但載波信號的包絡頻率隨轉(zhuǎn)速變化，導致解調(diào)后的噪聲頻率變化且往兩邊發(fā)散，主觀感知較差。一般都是提高載波頻率，將噪聲轉(zhuǎn)移到人耳不敏感的高頻區(qū)域內(nèi)（8 000 Hz以上）；或者采用隨機PWM開關(guān)策略來降低開關(guān)頻率的幅值并將電機電磁噪聲改變?yōu)橄迬О自肼暋?/p>

圖4 PWM系統(tǒng)引起的噪聲包絡

齒輪噪聲主要由齒輪嚙合、軸承嚙合、花鍵嚙合、裝配偏心等因素引起的傳遞誤差造成，可通過齒輪修形和磨齒工藝進行優(yōu)化。

電磁噪聲是由電機本身的結(jié)構(gòu)特性、氣隙磁場、電磁力波造成，可通過優(yōu)化定轉(zhuǎn)子的齒槽配合、增大氣隙等因素進行優(yōu)化。

從聲輻射角度來看，電驅(qū)系統(tǒng)本體輻射出來的聲能量是殼體振動擾動殼體表面的空氣層所輻射出來的。但是與電驅(qū)系統(tǒng)振動能量相比，由于空氣密度遠低于電驅(qū)系統(tǒng)密度，所以表面空氣層所包含的振動能量非常低。與此同時，在非殼體模態(tài)頻率范圍，輻射出來的聲能量與表面空氣層中振動能量相比也非常小。這是由于殼體結(jié)構(gòu)表面的彎曲波波速遠小于空氣聲速（吻合頻率以下），空氣振動能量無法有效轉(zhuǎn)換成聲能量輻射。但是電機尺寸有限，在殼體模態(tài)頻率范圍，彎曲波會轉(zhuǎn)換為駐波，從而將表面的空氣層振動能量全部轉(zhuǎn)換為聲能量輻射出來。所以需要盡可能提高電機殼體模態(tài)，降低本體的聲輻射。

在各階殼體振動模態(tài)中，需特別關(guān)注具備高聲輻射效率的模態(tài)。聲輻射效率是指可以輻射到遠場的聲能量與結(jié)構(gòu)表面空氣層所具有的振動能量之比。而高輻射效率的模態(tài)，是指結(jié)構(gòu)表面的聲輻射效率較高的輻射模態(tài)，一般復雜振動結(jié)構(gòu)的聲輻射模態(tài)通過數(shù)值法對輻射阻抗矩陣進行特征值分解獲得。

另外，在很多情況下，NVH抱怨往往是產(chǎn)品功能性偏差的一種表現(xiàn)，電驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)部任何損傷或異常運轉(zhuǎn)也都會表現(xiàn)NVH問題。

3 通用化策略下的電驅(qū)NVH性能集成

在通用化策略下，為實現(xiàn)差異化的整車性能開發(fā)目標，需要從其他開發(fā)手段上充分考慮差異，進行合理的性能匹配和設計優(yōu)化。因為電驅(qū)系統(tǒng)的通用化意味著具備相同的NVH本體水平，但是，各車型平臺可以結(jié)合其他具體設計，利用模態(tài)解耦、布置、聲學包、密封、隔振和智能聲場修飾技術(shù)等多方面來優(yōu)化電驅(qū)系統(tǒng)帶來的車內(nèi)NVH表現(xiàn)，實現(xiàn)不同的整車性能要求。

激勵源往乘客艙傳遞噪聲的途徑，按照傳遞路徑區(qū)分，可分為空氣聲和結(jié)構(gòu)聲。其中，結(jié)構(gòu)聲是激勵源的振動通過車身懸置激勵車身產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲，空氣聲是激勵源的輻射聲通過車身透射到車內(nèi)的車內(nèi)噪聲。對于同一激勵源產(chǎn)生的輻射噪聲Q()和激勵力F()，可以通過控制聲聲傳遞路徑H()和聲振傳遞路徑H()來優(yōu)化車內(nèi)噪聲水平，滿足整車開發(fā)要求，即

相應的主要控制路徑如圖5所示。

圖5 電驅(qū)NVH性能的主要控制路徑

3.1 模態(tài)解耦

整體模態(tài)分布圖通常以整車車身為中心，將各主要激勵源與整車車身模態(tài)、主要零部件和局部鈑金的模態(tài)互相錯開，避免共振和拍頻問題。例如：整車蠕行工況下，動力總成主要階次頻率需要避開整車彎扭頻率，以避免共振問題；與此同時，電機主要階次頻率（包括電機階次、減速器齒輪階次）也需要避開（建議15 Hz以上），以避免拍頻問題。

3.2 聲源布置

動力總成的布置需要從結(jié)構(gòu)布置和空間布置兩方面進行考慮。由于動力總成尺寸較大，實際可調(diào)范圍不大。一般還是通過被動手段來提升車內(nèi)性能。

結(jié)構(gòu)布置上，主要提升動力總成懸置安裝點的動剛度、降低車身噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function, NTF）和車身振動傳遞函數(shù)（Vibration Transfer Function, VTF）。

空間布置上，臨近的硬邊界（聲學上）會反射動力總成輻射噪聲，形成同相聲源。同相聲源會大幅提高電驅(qū)動系統(tǒng)的聲輻射效率，并且形成強指向的輻射特性。所以，一般在臨近的反射面上布置吸聲材料，降低輻射效率。

3.3 振動隔絕

電驅(qū)動系統(tǒng)的懸置系統(tǒng)是降低電驅(qū)動系統(tǒng)激勵力往車身傳遞的最重要手段。懸置系統(tǒng)有著重量支撐、位移約束和隔振保護等多重作用，故需具備足夠的抗扭限位能力、合理的剛體模態(tài)和解耦率。與此同時，為提高隔振率，懸置支架模態(tài)要足夠高，并充分考量過渡段和非線性段的剛度和隔振設計。

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機的懸置不同，電驅(qū)系統(tǒng)NVH問題主要是中高頻（500 Hz～2 000 Hz）的齒輪副嚙合噪聲和電磁噪聲，故懸置隔振設計要特別關(guān)注中頻段的隔振設計。此時，激勵頻率遠高于懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)頻率，隔振優(yōu)化可以考慮采用尼龍懸置等設計來增加阻尼，雖然會一定程度上降低懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率附近的隔振效果，但是可以大幅增加寬范圍的中高頻隔振效果。

為進一步提高懸置隔振能力，降低路徑上的振動傳遞，可采用軟連接副車架或者橡膠螺栓形成二級隔振結(jié)構(gòu)來提高中高頻隔振效果。

3.4 聲學包

聲學包是降低車內(nèi)中高頻噪聲的重要手段，對于電驅(qū)動系統(tǒng)，首先可以采用電驅(qū)總成整體聲學包裹方案，從源頭降低電驅(qū)系統(tǒng)輻射出來的聲能量。與此同時，還可以通過前圍隔聲、前艙吸聲、乘客艙吸聲等一系列聲學包配置來降低電驅(qū)動系統(tǒng)噪聲對車內(nèi)的影響。圖6為典型的用于聲學包性能分析的統(tǒng)計能量分析（Statistical Energy Analysis, SEA）模型。

其中，最重要的是前圍聲學包的隔聲設計。目前，常用的前圍聲學包中乙烯醋酸乙烯酯（Ethylene Vinyl Acetate, EVA）重層，由于真空吸附制造工藝問題，存在拉薄現(xiàn)象，會導致重層真實面密度低于設計狀態(tài)，且不均勻，最薄區(qū)域往往只有設計狀態(tài)的一半左右，存在隔聲短板效應。一般可以利用注射成型（Ceramic Injection Moul- ding, CIM）工藝設計成可變密度的EVA重層來優(yōu)化前圍隔聲特性，彌補隔聲不足區(qū)域。

圖6 聲學包分析SEA模型

3.5 密封

整車密封是NVH開發(fā)的重要基礎，密封性能的不足會導致隔聲性能的不足。項目開發(fā)前期，可以在模型中通過最速路徑方法查找車輛的孔洞和鈑金間隙。圖7為鈑金泄露路徑查找分析的示意圖。

圖7 鈑金泄露路徑查找

整車密封不足表現(xiàn)為車內(nèi)外之間存在多個孔隙，包括功能孔、定位孔以及鈑金制造間隙等。由于這類間隙往往遠小于聲波尺寸，聲波通過小孔時，由于板面收縮和管壁摩擦帶來的聲阻抗，聲能穿透能力減弱。聲波尺寸相對于間隙越小，聲能穿透能力越強。所以，從隔聲角度出發(fā)，需盡量減小孔隙面積，縮小孔隙尺寸。

3.6 聲場修飾

在既定的車內(nèi)聲場環(huán)境下，還可以借助聲場修飾技術(shù)來改善車內(nèi)響應，如圖8所示。首先獲取車輛運行狀態(tài)（車速、踏板位置等），匹配次級通道估計，通過車載娛樂系統(tǒng)來修飾車內(nèi)聲場?？山柚诒涡档碗姍C嘯叫聲，增加客戶期望的聲響應，改善聲品質(zhì)。

它的意義不僅在于可降低客戶可感知的噪聲，更可以借助藝術(shù)家的設計，打造品牌的聲場特征，與品牌整體定位相適應。

1—4：揚聲器。

4 總結(jié)

基于通用化模塊化開發(fā)背景下，本文討論了電驅(qū)系統(tǒng)NVH開發(fā)技術(shù)及電動車整車NVH性能集成應對方案，并進一步探討了通用化模塊化策略下的零部件性能設計和整車性能集成。

（1）通用化模塊化策略要求盡量適配多個車型平臺，同時需要滿足差異化的性能要求。所以，從NVH角度，“激勵源”一般采用通用化策略，而“傳遞路徑”是實現(xiàn)差異化性能要求的主要手段。其中，電驅(qū)系統(tǒng)通用化是電動汽車普遍采用的通用化策略。

（2）電驅(qū)系統(tǒng)應按照其所搭載車型平臺的高配置性能要求進行設計優(yōu)化，從PWM控制方式、齒輪精度、電磁結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)等方面盡可能降低驅(qū)動系統(tǒng)本體的振動噪聲。

（3）利用模態(tài)解耦、布置、聲學包、密封、隔振和智能聲場修飾技術(shù)等多方面來改變電驅(qū)系統(tǒng)往車內(nèi)傳遞的聲聲傳遞路徑和聲振傳遞路徑，實現(xiàn)不同的整車NVH性能要求。

[1] 雷穎絜,胡磊,劉偉.汽車企業(yè)推行模塊化的影響因素研究[J].汽車科技,2019(2):2-6.

[2] 何晰浩.面向整車性能的制動系統(tǒng)模塊化設計[D].長春:吉林大學,2019.

[3] 吳純福.基于參數(shù)化的車身模塊化平臺開發(fā)[D].廣州:華南理工大學,2021.

[4] 陸恒,于忠娟,劉寶新.某款汽車下車體平臺化設計[J].汽車實用技術(shù),2020,45(19):65-68.

[5] 楊宏,黃興,陳東,等.純電動專屬車身平臺架構(gòu)開發(fā)與應用[J].汽車工程師,2020(2):48-54,58.

[6] 朱忠華,李光明.淺談汽車平臺化設計[J].汽車實用技術(shù),2022,47(14):180-183.

Electric Drive Unit NVH Performance Integration for Commonality and Modularity

LIU Hongling, LIN Lei*, ZHU Zhiwen

( Hengda Hengchi New Energy Vehicle Research Institute, Shanghai 201616, China )

For commonality strategy, the electric drive unit noise、vibration、harshness(NVH) performance integration technique is discussed in the paper. In electric vehicle development, one electric drive unit usually be adapted to many vehicles. Therefore, the electric drive unit itself and noise vibration harshness (NVN) transmission path were discussed to meet the vehicle requirement. The electric drive unit itself should be optimized as much as possible to meet the top level requirement of vehicle which it is used, with many optimization methods, such as pulse width modulation(PWM) control, gear accuracy, electromagnetic structure, shell structure and so on. Meanwhile, the "NVH transmission path" airborne noise transmission path and structure borne noise transmission path should be different to meet the different vehicle performance requirement, such as modal decoupling, vehicle package, sound package, sealing, vibration isolation, active sound modification technology and so on.

Commonality; Modularity; Performance Integration; Electric drive unit NVH

TB53

A

1671-7988(2023)03-28-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.005

劉紅領（1979—），男，碩士，高級工程師，研究方向為乘用車平臺開發(fā)管理和整車性能開發(fā)管理，E-mail: hongling.liu@hengchiauto.com。

藺磊（1983—），男，博士，高級工程師，研究方向為NVH開發(fā)及控制技術(shù)，E-mail:lei.lin@hengchiauto.com。