電動汽車電機嘯叫問題診斷與優(yōu)化分析

李建華，楊志偉，狄小祥，黃樹武，廖 強，王朝建，梁貴銘

（1.宜賓凱翼汽車有限公司，四川 宜賓 644000；2.合眾新能源汽車有限公司，浙江 嘉興 314000）

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，良好的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness,NVH）已成為各大主機廠的重要開發(fā)指標(biāo)[1]。人們對電動汽車舒適性的需求不斷提高，電動汽車的電驅(qū)動嘯叫問題已逐步被行業(yè)所重視[2-3]。減速器和電機是電驅(qū)動總成的主要噪聲源，減速器的振動噪聲問題分析與優(yōu)化方法已逐漸成熟，行業(yè)內(nèi)較多工程人員在解決減速器嘯叫問題方面積累了較豐富的工程經(jīng)驗和實踐案例[4-5]，大扭矩電機引起的車內(nèi)電磁噪聲嘯叫問題解決優(yōu)化案例相對較少。電機電磁嘯叫噪聲主要由以下幾種途徑解決[6-7]：從控制源頭方面，即優(yōu)化電磁激勵、優(yōu)化電機殼體結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電機控制策略；從傳遞路徑方面，改善傳遞路徑減振隔振性能、提高懸置安裝點動剛度避免局部共振問題。本文針對電動汽車電驅(qū)動嘯叫問題，分析電驅(qū)動近場噪聲源與傳遞路徑特性，根據(jù)診斷分析思路和工程經(jīng)驗制定了有效的工程化解決方案。

某電動汽車在瀝青路面加速工況下車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫聲較為明顯，滑行工況在15～20 km/h區(qū)間嘯叫聲嚴(yán)重，主觀評價不可接受。針對上述情況，對車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫影響因素進(jìn)行了探討和分析，結(jié)合電驅(qū)動近場噪聲源、傳遞路徑特征開展診斷分析，最后提出了優(yōu)化方案，試驗對比驗證該優(yōu)化方案取得了良好的改善效果。該診斷分析思路和優(yōu)化方案為電動車嘯叫問題研究和排查提供了一個可靠的依據(jù)。

1 問題描述

某電動汽車在瀝青路面加速工況下車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫聲偏大，滑行工況在15～20 km/h區(qū)間嘯叫聲較大，主觀評價不可接受。通過LMS測試設(shè)備采集該問題電動車車內(nèi)和電驅(qū)動近場噪聲信號，測試工況均為瀝青路面上加速行駛和滑行工況。經(jīng)LMS Test.Lab軟件分析其試驗數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如圖1和圖2所示。問題電動汽車車內(nèi)嘯叫噪聲通過音頻數(shù)據(jù)分析可知，加速工況整體嘯叫聲較大，主要貢獻(xiàn)來自電機電磁階次36階，滑行工況在15～20 km/h區(qū)間車內(nèi)嘯叫聲大，主要貢獻(xiàn)來自電機電磁階次36階，主要嘯叫貢獻(xiàn)問題點對應(yīng)頻率在740 Hz附近。

圖1 加速工況電動車車內(nèi)嘯叫噪聲彩圖

圖2 滑行工況電動車車內(nèi)嘯叫噪聲彩圖

2 電機嘯叫原因及傳遞機理分析

電機噪聲產(chǎn)生的主要激勵力為電磁力，電磁力是由于電機氣隙磁場相互作用（定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生法向電磁力波）產(chǎn)生隨時間和空間變化的法向電磁力，這種電磁力將引起電機定子的周期振動。定子的振動又激勵起周圍空氣的振動即產(chǎn)生噪聲，且幅值較大的低次數(shù)電磁力波是引起電磁振動噪聲的主要根源；電機氣隙磁場也產(chǎn)生切向電磁力，引起永磁同步電動機的切向振動是電磁振動噪聲的次要來源。

通過分析該試驗車電驅(qū)動工作激勵特性及傳遞路徑，得出如圖3所示電驅(qū)動振動噪聲傳遞路徑分析原理圖。根據(jù)“激勵源-傳遞路徑-接受者”分析模型，電驅(qū)動工作時，主要結(jié)構(gòu)噪聲由電驅(qū)動總成通過橡膠懸置隔振后傳遞到副車架，再次經(jīng)過副車架橡膠襯套隔振墊后傳遞到前艙縱梁再向車身傳遞，電驅(qū)動少部分激勵通過高壓線束和管路直接傳遞至車身板件，車身輻射至駕駛員耳旁；電驅(qū)動的嘯叫空氣噪聲一部分由電驅(qū)本體直接輻射傳遞至車內(nèi)，另一部分在結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑過程中，由結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生輻射噪聲，最終傳遞到車內(nèi)。

圖3 電驅(qū)動嘯叫噪聲傳遞路徑分析原理圖

通過圖1和圖2分析可知，車內(nèi)嘯叫噪聲主要貢獻(xiàn)來自電機電磁階次激勵36階，根據(jù)主觀評價結(jié)果，加速工況嘯叫聲整體偏大，滑行工況嘯叫聲主要集中在15～20 km/h區(qū)間。

結(jié)構(gòu)噪聲路徑通過懸置系統(tǒng)、副車架、副車架襯套、車身等路徑傳遞到車內(nèi)。根據(jù)“激勵源-傳遞路徑-接受者”分析模型，該試驗樣車的車內(nèi)電機嘯叫特性和主要貢獻(xiàn)點進(jìn)行以下分析：1）電機本體激勵及輻射噪聲較大。需排查電驅(qū)動近場噪聲，并對電驅(qū)動實施聲學(xué)包裹方案進(jìn)行驗證；2）電驅(qū)總成懸置隔振率滿足要求，該因素排除；3）懸置與副車架連接，副車架可能存在局部模態(tài)共振的問題，因此副車架為重點排查路徑。

通過對車內(nèi)噪聲進(jìn)行濾波處理及音頻對比分析發(fā)現(xiàn)，加速工況和滑行工況車內(nèi)嘯叫噪聲主要來自電機電磁36階，即電機電磁激勵36階是車內(nèi)嘯叫噪聲的主要貢獻(xiàn)階次，對電驅(qū)動36階嘯叫噪聲問題進(jìn)行“激勵源-傳遞路徑-接受者”模型分析，對比分析加速工況車內(nèi)36階嘯叫聲壓級和電驅(qū)動近場36階聲壓級，如圖4所示，車內(nèi)36階嘯叫聲壓級不滿足目標(biāo)要求35 dB(A)，電驅(qū)動近場36階聲壓級不滿足目標(biāo)要求85 dB(A)，且車內(nèi)36階頻譜峰值特征與電驅(qū)動近場 36階頻譜峰值特征具有較強的關(guān)聯(lián)性，初步推斷加速工況，車內(nèi)嘯叫聲大主要原因是電驅(qū)動本體36階輻射噪聲較大。

圖4 加速工況車內(nèi)36階聲壓級與電驅(qū)動近場對比

通過對比圖2 滑行工況彩圖分析可知，15～20 km/h區(qū)間的滑行嘯叫聲問題集中在740 Hz附近，從彩圖特征分析可知，740 Hz可能存在結(jié)構(gòu)共振問題。根據(jù)經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)傳遞路徑進(jìn)行分析，懸置支架、懸置副車架連接處存在740 Hz共振問題的可能性最大，需作為重點排查對象。

分別對懸置主動側(cè)支架和副車架安裝處進(jìn)行滑行工況振動測試同步排查，副車架懸置安裝處如圖5所示，滑行工況懸置主動端支架和副車架懸置安裝處振動數(shù)據(jù)彩圖分別如圖6和圖7所示。

圖5 副車架后懸置安裝處振動測點布置示意圖

通過對比分析滑行工況懸置主動端支架振動彩圖（圖6）和副車架懸置安裝處振動彩圖（圖7）可知，副車架后懸置安裝處存在明顯的740 Hz左右的共振特性。

圖6 滑行工況后懸置主動端支架振動彩圖

提取滑行工況車內(nèi)36階噪聲與副車架后懸置安裝處振動信號（圖8），對比分析可知，15～20 km/h區(qū)間（電機轉(zhuǎn)速1 300 r/min）的滑行嘯叫聲大的問題與副車架振動峰值相對應(yīng)，結(jié)合圖7分析結(jié)果可知，該問題是由副車架懸置安裝處局部模態(tài)共振所導(dǎo)致。

圖7 滑行工況副車架后懸置安裝處振動彩圖

圖8 車內(nèi)36階噪聲與懸置被動端副車架處振動對比圖

3 優(yōu)化方案分析與試驗驗證

明確了加速工況車內(nèi)嘯叫聲大主要來自電驅(qū)動本體 36階輻射噪聲不達(dá)標(biāo)，而滑行工況 15～20 km/h區(qū)間嘯叫聲大主要貢獻(xiàn)是副車架懸置安裝處局部共振引起，解決上述問題有三個優(yōu)化方向：1）從源頭控制，即優(yōu)化電驅(qū)動本體輻射噪聲，降低電驅(qū)動階次噪聲輻射量；2）從路徑控制：實施電驅(qū)動聲學(xué)包裹，降低階次嘯叫聲能量的傳遞；3）解決副車架局部共振問題，即優(yōu)化副車架局部結(jié)構(gòu)，改善電驅(qū)動結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑。

方案 1的整改方案代價相對較大，優(yōu)化成本較高花費時間較長，暫不優(yōu)先考慮；加速工況嘯叫聲問題重點考慮方案2，對電驅(qū)動實施聲學(xué)包裹（圖9），降低階次嘯叫聲能量的傳遞；滑行工況嘯叫聲問題采樣方案3，加強副車架懸置安裝處局部結(jié)構(gòu)（圖10）。

圖9 電驅(qū)動聲學(xué)包裹

圖10 副車架局部加強

對電驅(qū)動實施方案 2的聲學(xué)包裹后主觀評加速工況車內(nèi)基本無嘯叫聲，進(jìn)行車內(nèi)噪聲驗證試驗后，車內(nèi)噪聲彩圖分析結(jié)果如圖11和圖12所示，36階次加速嘯叫噪聲改善明顯，基本處于33 dB(A)以下，滿足目標(biāo)要求。

圖11 電驅(qū)動加聲學(xué)包裹后車內(nèi)嘯叫噪聲彩圖

圖12 電驅(qū)動加聲學(xué)包裹前后車內(nèi)36階嘯叫噪聲對比

滑行工況車內(nèi)36階噪聲問題集中在750 Hz附近，問題頻率相對較低，電驅(qū)動聲學(xué)包裹對較低頻率段吸聲效率較差，因此，重點實施并驗證方案3，即加強副車架懸置安裝處局部結(jié)構(gòu)，解決副車架局部模態(tài)共振問題，優(yōu)化電驅(qū)動結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑，改善車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫噪聲。

如圖10所示，對副車架后懸置安裝處左右兩側(cè)焊接加強筋，加強后經(jīng)動剛度試驗測試驗證，如表1所示，該處700～800 Hz頻率范圍內(nèi)的動剛度從原狀態(tài)4 912 N/mm提升至9 608 N/mm，提升比例達(dá)95%。

表1 副車架后懸置安裝處加強后局部動剛度對比

以副車架局部加強后的狀態(tài)進(jìn)行滑行工況車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫噪聲驗證試驗，主觀評價滑行至15～20 km/h區(qū)間無嘯叫聲，改善效果良好。

對副車架振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖13所示，加強后的副車架后懸置安裝處750 Hz附近共振特性已消失，提取彩圖的36階振動數(shù)據(jù)分析，如圖14所示，副車架后懸置安裝處在1 300 r/min處已無振動峰值，且振動幅值與原狀態(tài)對比大幅度減低。

圖13 加強后副車架后懸置安裝處滑行工況振動彩圖

為進(jìn)一步明確方案3對車內(nèi)嘯叫的改善效果，對同步采集的車內(nèi)噪聲信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖15所示，車內(nèi)36階噪聲在750 Hz附近嘯叫能量特征已消失，提取彩圖的36階噪聲數(shù)據(jù)與原狀態(tài)車內(nèi)噪聲對比分析，如圖16所示，車內(nèi)36階噪聲在 1 300 r/min處噪聲峰值從 44 dB(A)下降至33 dB(A)，滿足性能目標(biāo)要求，且主觀評價已無嘯叫聲，改善效果明顯。

圖15 加強后副車架后車內(nèi)嘯叫噪聲彩圖

圖16 副車架加強前后車內(nèi)36階嘯叫噪聲對比

4 結(jié)語

從理論上分析純電動汽車電機產(chǎn)生嘯叫原因，以“激勵源-傳遞路徑-接受者”模型進(jìn)行電驅(qū)動嘯叫主要貢獻(xiàn)點及傳遞路徑特性分析，根據(jù)診斷分析思路和工程經(jīng)驗快速鎖定解決兩個不同嘯叫特征的改善方案；通過實施電驅(qū)動聲學(xué)包裹優(yōu)化電驅(qū)動輻射噪聲，改善中高頻的加速工況嘯叫問題；通過副車架局部加強，有效解決了滑行工況副車架局部共振導(dǎo)致的嘯叫問題。高效地確定可工程化的優(yōu)化方案，車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫問題改善效果顯著。本文的工作內(nèi)容和成果對其他電動車型及相似的嘯叫問題的解決具有較好的指導(dǎo)意義。