某純電動汽車加速噪聲的優(yōu)化對策和試驗驗證

摘 要：某款純電動汽車在水泥路面上急加速行駛時，乘員艙內(nèi)電機噪聲明顯變大，聲音存在突兀感。根據(jù)整車測試數(shù)據(jù)分析，電機的異常噪聲來源于電機激勵的階次頻率48階和減速器輸入軸齒輪嚙合的倍頻44階。進一步，根據(jù)傳遞路徑中的各懸置測試數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)左懸置的Z向隔振率不足且與整車急加速工況的噪聲存在吻合，因此確定為主要的優(yōu)化目標(biāo)。制定并實施了左懸置“降低剛度”、“加質(zhì)量塊”、“加安裝點”等三種優(yōu)化方案。經(jīng)過實車測試和主觀評價，“降低剛度”、“加質(zhì)量塊”兩種方案均有利于改善電機噪聲，但是改善程度均存在不足?！凹影惭b點”方案改善效果最明顯，該方案不僅徹底解決了急加速工況下車內(nèi)電機異常噪聲問題，而且在全轉(zhuǎn)速下整車的噪聲水平和左懸置隔振率均得到了顯著的整體提升。

關(guān)鍵詞：電機噪聲；懸置支架；固有頻率；傳遞路徑；電動汽車

中圖分類號：U469.7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0088-07

Optimization Strategy and Experimental Verification of Acceleration Noise in A Pure Electric Vehicle

ZHAN Shi-cheng， Wei Huang， Zhou Zhao， Yuan Bao-wen

（Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： The motor noise in passenger compartment increases significantly when the pure electric vehicle accelerates rapidly on a cement road surface， and the sound is abrupt. According to the analysis of vehicle test data， the abnormal noise of motor comes from the 48th order frequency of motor excitation and the 44th order frequency of reducer gearbox transmission. Furthermore， based on the data analysis of motor mount in the transmission path， the Z-axis isolation rate of left mount is too low， which consistent with motor noise. Therefore， the left mount is determined as the primary optimization goal. Three optimization schemes are put into effect for the left mount， including “reducing stiffness”， “adding mass blocks”， and “adding installation points”. According to the actual vehicle test and subjective evaluation， both “reducing stiffness” and “adding mass blocks” schemes are beneficial for improving the motor noise， but both are not enough. The “adding installation points” scheme has the most obvious improvement effect. It not only completely improves the abnormal motor noise in vehicle， but also significantly improves the vehicle noise overall level and the left mount overall isolation rate at full rotate speed range.

Key Words： Motor Noise; Mount Bracket; Natural Frequency; Transmission Path; Electric Vehicle

純電動汽車是新能源汽車的重要組成部分，它具有零排放、使用成本低、加速性能好等優(yōu)點，我國大力發(fā)展電動汽車對于加快燃油替代、減少尾氣排放、保證能源安全、促進節(jié)能減排等具有重要意義[1-3]。與傳動的燃油汽車相比，電動汽車減少了飛輪、離合器、聯(lián)軸器、起動機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等零部件，動力總成的整體質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等大幅降低。電動汽車的整體振動噪聲相對于傳動燃油汽車降低了3～6dB，但是由于缺少發(fā)動機和進排氣噪聲的掩蔽效應(yīng)，源頭激勵的電機噪聲變得更加凸顯[4-6]。對于傳統(tǒng)四缸發(fā)動機汽車，工作轉(zhuǎn)速通常在4500r/min以內(nèi)，因此其主要階次頻率在25～200Hz，激勵頻率屬于低頻范圍；對于電動汽車，工作轉(zhuǎn)速高達15000～20000r/min，并且中高頻激勵源更多、階次頻率更復(fù)雜，因此激勵頻率可高達5000Hz[7-10]。

針對電動汽車的電機噪聲問題，根據(jù)傳遞路徑分析“激勵源-傳遞路徑-接受者”的模型，優(yōu)化激勵源和改善傳遞路徑是解決電機噪聲問題的兩個基本方向[11-13]。在實際開發(fā)中，由于優(yōu)化激勵源的周期長、成本高，一般難以滿足項目周期需求；采用改善傳遞路徑具有周期短、成本低等特點，因而被汽車各大主機廠廣泛應(yīng)用。

1 問題描述

某款純電動汽車在水泥路面上急加速行駛，電機工作轉(zhuǎn)速在3125～4000r/min時，在乘員艙內(nèi)電機噪聲明顯變大，主觀感覺聲音的突兀感非常明顯，需要進行優(yōu)化改善。

該驅(qū)動電機采用的是8極48槽式架構(gòu)；減速器的輸入軸齒輪齒數(shù)為22，輸出軸齒輪齒數(shù)為75。根據(jù)驅(qū)動電機的機械結(jié)構(gòu)和工作原理分析[4]，電機電磁激勵噪聲的頻率為2pf（p為電機的極對數(shù)，f為電機的基頻）整數(shù)倍，因此電機激勵的階次頻率主要為8f、16f、24f、48f等；減速器的輸入軸齒輪齒數(shù)為22，因此產(chǎn)生嚙合頻率為22f，其倍頻包括44f、66f 等。

圖1為該工況下駕駛員側(cè)的車內(nèi)噪聲瀑布圖，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min時出現(xiàn)的異常噪聲頻率段大致為2200～3200Hz，并且在此轉(zhuǎn)速區(qū)間和頻率段內(nèi)，階次頻率44階、48階的直線上均存在明顯的噪點。

2 原因分析

2.1 整車數(shù)據(jù)分析

根據(jù)電機的電磁激勵頻率和減速器的嚙合頻率分布推測，該電機異常噪聲與電機激勵的階次頻率48階（2596～3201Hz）和減速器輸入軸齒輪嚙合的倍頻44階（2288～2935Hz）密切相關(guān)。

圖2為減速器輸入軸齒輪嚙合倍頻44階的噪聲圖，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min范圍內(nèi)的噪聲曲線上存在明顯波峰值，波峰對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速約為3200r/min。圖3為電機激勵的階次頻率48階的噪聲圖，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min范圍內(nèi)的噪聲曲線也存在明顯波峰值，波峰對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速約為3500r/min。因此，該電機異常噪聲是由電機激勵的階次頻率48階和減速器輸入軸齒輪嚙合倍頻44階共同作用引起的。

2.2 傳遞路徑分析

根據(jù)“激勵源-傳遞路徑-接受者”傳遞路徑分析（簡稱TPA分析），驅(qū)動電機總成的噪聲一般通過兩種路徑：空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑。根據(jù)相關(guān)文獻的研究[14-15]，電機中高頻噪聲不僅通過結(jié)構(gòu)路徑進行傳遞，也有部分能量通過空氣路徑傳遞， 而2500Hz以下頻率的噪聲主要通過結(jié)構(gòu)路徑傳遞。

該驅(qū)動電機的懸置系統(tǒng)采用扭矩軸式布置，左右懸置安裝在前艙縱梁、后懸置安裝在副車架，因此電機源頭激勵主要通過左右懸置傳遞，懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳遞路徑如下圖4所示。

根據(jù)傳遞路徑和激勵頻率特性可知，激勵頻率44階和48階均來自驅(qū)動電機內(nèi)部，由驅(qū)動電機固有的機械特性和電磁特性所決定的，降低源頭激勵是解決該整車NVH問題中最關(guān)鍵、最直接和最優(yōu)有效的方法。但是，由于該驅(qū)動電機總成是其他在售車型的量產(chǎn)品，且存在整改周期長、費用高等問題，因此針對該問題主要考慮通過優(yōu)化傳遞路徑進行解決。

2.3 懸置隔振分析

在急加速工況下進行整車測試時，同時對各懸置的主動端、被動端布置三向加速度傳感器進行測試，如圖5所示。懸置的隔振性能可以用隔振率進行描述，一般認為在隔振率≥20dB時，懸置隔振效果良好，滿足設(shè)計要求[16]。在隔振率＜20dB，甚至只有15dB左右時，在整車NVH無問題時，可以接受；但是在整車NVH存在問題時，則不可接受，需要進行優(yōu)化改善。

根據(jù)各懸置主、被動端測試的加速度數(shù)據(jù)進行處理，可以得到各懸置在整車X/Y/Z三個方向下的隔振率曲線，如下圖6所示：

由圖可知，左懸置X和Y向的隔振率均在20dB以上，隔振率較好，滿足設(shè)計要求；但是Z向的隔振率普遍較低，尤其是在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min時只有16dB左右，隔振率很差。右懸置X和Y向的隔振率普遍在25dB以上，隔振效果非常好；Z向隔振率基本均在20dB以上，滿足設(shè)計要求。后懸置的X、Y和Z向的隔振率波動較大，但是基本均在18dB以上，平均值約為20dB，可以接受，滿足設(shè)計要求。

綜上分析，左懸置的Z向隔振率不足且與整車急加速工況的噪聲問題吻合，因此是主要的優(yōu)化目標(biāo)。

3 優(yōu)化對策

3.1 降低剛度方案

懸置系統(tǒng)隔振性能由系統(tǒng)的整體剛度決定，圖7為該電機左懸置支座隔振系統(tǒng)的物理模型，其隔振系統(tǒng)主要由主動側(cè)支架（即支臂）、懸置橡膠（即主簧）、支座支架（即上殼體）和被動側(cè)支架（即下殼體）構(gòu)成。

根據(jù)隔振率IR理論計算公式[17]，該懸置支座總成的隔振率可表示為：

式中，Ka為主動側(cè)支架的剛度，Kp為被動側(cè)支架的剛度，Ki為懸置橡膠的剛度，Kh為支座支架的剛度。

由于Ka、Kp的剛度值通常很大，所以系統(tǒng)的整體剛度K主要由懸置橡膠的剛度Ki和懸置支座支架的剛度（即上殼體）Kh決定。懸置的橡膠剛度Ki越小、懸置支座支架剛度越大，系統(tǒng)的隔振率IR越大，隔振效果越好。

左懸置橡膠降低剛度有利于提升系統(tǒng)的隔振性能，因此，降低左懸置的橡膠剛度作為第一種優(yōu)化方案?？紤]公差管控要求，左懸置的剛度按照極限最低剛度375N/mm執(zhí)行。

3.2 加質(zhì)量快方案

在左懸置上增加吸振器，通過改變左懸置的固有頻率和振型進而提高懸置在該頻率段的隔振性能[18-19]。圖8為左懸置增加不同重量質(zhì)量塊的隔振性能仿真，由圖可知，質(zhì)量塊的質(zhì)量越大，主振系統(tǒng)的隔振效果越好，且質(zhì)量增大一定程度后主振系統(tǒng)的隔振效果趨于穩(wěn)定。因此，在左懸置上增加質(zhì)量塊作為第二種優(yōu)化方案。

根據(jù)吸振器的隔振效果，確定選擇1kg的質(zhì)量塊進行實車驗證，如圖9所示，由于左懸置周邊的管路、線束較多，質(zhì)量塊被設(shè)計為不規(guī)則形狀以滿足周邊間隙要求。

3.3 加安裝點方案

根據(jù)相關(guān)文獻的研究[20-21]，電磁噪聲的主要激勵頻率為基頻 f 和倍頻2pf，為了避開激勵共振區(qū)域，懸置支架的固有頻率f0一般需要滿足：

式中，行車速度V單位為km/h；N為電機轉(zhuǎn)速，單位r/min；R為輪輞尺寸，單位英寸；η為輪胎高寬比；B為輪胎寬度，單位mm；i為電機總傳動比；rt為輪胎動半徑，單位m。

本文的驅(qū)動電機的電極對數(shù)p=4，總傳動比i=10.552，輪胎規(guī)格為235/45R18，最高行車速度V=120km/h。因此，該懸置支座殼體固有頻率的設(shè)計值應(yīng)該大于1894Hz，原始狀態(tài)固有頻率只有1262Hz，如圖10所示，不滿足理論設(shè)計要求。

根據(jù)布置空間和振型分析，增加一個與車身連接的安裝點有利于提高懸置支座的固有頻率。因此，左懸置殼體上增加安裝點作為第三種優(yōu)化方案。圖11為“加安裝點”方案后左懸置固有頻率CAE分析結(jié)果，該懸置殼體的振型為繞整車方向Z軸的扭轉(zhuǎn)，固有頻率達到了1947Hz，滿足理論計算的設(shè)計值。

綜上所述，針對整車急加速工況電機噪聲問題，左懸置的優(yōu)化方案有三種，如下表1所示：

4 實車驗證

4.1 降低剛度方案

采用左懸置“降低剛度”方案，在急加速工況下駕駛員側(cè)的車內(nèi)噪聲瀑布圖如圖12所示。在電機轉(zhuǎn)速3125～4000r/min、噪聲頻率2200～3200Hz區(qū)間范圍內(nèi)，44階和48階的噪點整體均有所減弱，其他階次也均未惡化，與實車的主觀評價一致。

圖13為“降低剛度”方案減速器輸入軸齒輪嚙合倍頻44階的噪聲圖，圖14為“降低剛度”方案電機激勵階次頻率48階的噪聲圖。由圖可知，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min范圍內(nèi)，44階和48階的噪聲曲線相對于原始狀態(tài)均有所降低，方案具有優(yōu)化效果。根據(jù)主觀評價，駕駛員仍然能夠聽到電機噪聲的突兀感，該方案對于噪聲的改善程度不足。

4.2 加質(zhì)量快方案

采用左懸置“加質(zhì)量塊”方案，在急加速工況下駕駛員側(cè)的車內(nèi)噪聲瀑布圖如圖15所示。由圖可知，在電機轉(zhuǎn)速3125～4000r/min、噪聲頻率2200～3200Hz區(qū)間范圍內(nèi)，階次頻率44階的噪點有所惡化，而48階的噪點有一定程度的減弱，其他階次均未惡化，但是根據(jù)主觀評價，整體不如“降低剛度”方案效果明顯。

圖16為“加質(zhì)量塊”方案減速器輸入軸齒輪嚙合倍頻44階的噪聲圖，圖17為“加質(zhì)量塊”方案電機激勵階次頻率48階的噪聲圖。由圖可知，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min范圍內(nèi)，44階噪聲曲線的前半段有改善，而后半段則存在惡化；48階噪聲曲線相對于原始狀態(tài)均有所降低。根據(jù)主觀評價，“加質(zhì)量塊”方案的整體效果優(yōu)于原始狀態(tài)，但比“降低剛度”方案差。

4.3 加安裝點方案

采用左懸置“加安裝點”方案，在急加速工況下駕駛員側(cè)的車內(nèi)噪聲瀑布圖如圖18所示。由圖可知，在電機轉(zhuǎn)速3125～4000r/min、噪聲頻率2200～3200Hz區(qū)間范圍內(nèi)，44階和48階的噪聲曲線相對于原始狀態(tài)均明顯降低，具有較好的優(yōu)化效果，其他階次也均未惡化；主觀評價車內(nèi)電機噪聲的突兀感基本消失，效果明顯優(yōu)于前兩種方案。

圖19為“加安裝點”方案，在急加速工況下駕駛員側(cè)的OA值曲線。由圖可知，在電機工作全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，整車的噪聲值相對于原始狀態(tài)得到了明顯降低，改善效果非常顯著，與主觀評價高度一致。

圖20為“加安裝點”方案減速器輸入軸齒輪嚙合倍頻44階的噪聲圖，圖21為“加安裝點”方案電機激勵階次頻率48階的噪聲圖。由圖可知，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min范圍內(nèi)，44階和48階的噪聲曲線相對于原始狀態(tài)均有所降低，方案具有優(yōu)化效果；此外，在電機的其他轉(zhuǎn)速段，噪聲曲線相對于原始狀態(tài)也有明顯降低。

圖22為“加安裝點”方案左懸置在整車X/Y/Z三個方向下的隔振率曲線，由圖可知，左懸置X、Y和Z向的隔振率相對于原始狀態(tài)均有提升，其中Y向和Z向的提升最為顯著：Z向的隔振率相對于原狀態(tài)提高了4dB左右，達到了20dB的設(shè)計要求。

5 結(jié)論與建議

針對某電動車在急加速工況下車內(nèi)電機噪聲異常問題，提出了三種左懸置優(yōu)化方案并實車驗證，最終解決了電機噪聲異常問題，結(jié)論如下：

（1）在純電動汽車中，驅(qū)動電機總成的噪聲問題通常發(fā)生在中高頻率段，既包括電機電磁激勵的階次頻率，也可包括減速齒輪嚙合的基頻和倍頻。本文中驅(qū)動電機總成的噪聲便是由電機電磁激勵的48階頻率和減速器輸入軸齒輪嚙合倍頻44階共同作用導(dǎo)致。

（2）在純電動汽車中，對于驅(qū)動電機總成的噪聲問題，可以采用降低懸置橡膠剛度、增加吸振器等常用的匹配策略進行解決，這兩種方式對于提高整車噪聲水平均有一定作用，但也會存在一定不足。

（3）在純電動汽車中，提高懸置支架（包括支座殼體）的固有頻率不僅僅是為了避免結(jié)構(gòu)共振，其與改善懸置隔振性能也具有重要影響。懸置支架的固有模態(tài)應(yīng)盡量滿足大于，亦即：

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專家推薦語

嚴 輝

國家汽車質(zhì)量檢驗檢測中心（襄陽）

NVH專業(yè) 研究員級高級工程師

本文針對某純電動汽車加速時出現(xiàn)明顯車內(nèi)噪聲問題，經(jīng)測試為電機電磁激勵和減速器齒輪嚙合產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)“激勵源-傳達路徑-接受者”傳統(tǒng)路徑分析，明確左懸置為主要傳遞路徑。通過“加安裝點”并經(jīng)試驗驗證，有效的解決了該車加速噪聲問題，為純電動汽車車內(nèi)噪聲分析與控制提供了參考。