纯电动汽车动力总成激励下的车内噪声分析_周菁頔.pdf

年第 期纯电动汽车动力总成激励下的车内噪声分析周菁頔，陈克（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 ）摘要：本文以某国产纯电动汽车为研究对象，通过对其进行整车加速工况振动噪声试验，分析动力总成产生的振动和噪声激励对车内噪声的影响。根据纯电动汽车动力总成结构特性和振动噪声特点，运用阶次分析方法，识别动力总成驱动电机、减速器振动和噪声源，以及动力总成的振动噪声激励对车内噪声的影响，适用于纯电动汽车动力总成噪声源识别以及车内噪声源分析，具有工程应用价值。关键词：纯电动汽车；动力总成系统；阶次分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：周菁頔（），男，辽宁省丹东市，满族，学生，硕士学位，车辆动力学与控制。引言纯电动汽车动力总成系统采用电机、减速器集成式动力总成。由于缺乏发动机的“掩蔽效应”，所以车内的声压级很小，这使得电机、减速器、控制器产生的电磁噪声、齿轮啸叫噪声、各种阶次噪声凸显出来，传入到车内。针对纯电动汽车动力总成电机、减速器产生的振动噪声问题，众多国内外学者作了许多研究。美国学者 通过研究发现电机径向电磁力的空间阶次与定转子槽极配合数有关，得出永磁同步电机的电磁振动是由径向电磁力引起的。等针对变速范围电机电磁噪声预测和建立了声质分析的多物理模型，建立电磁力与声压之间的传递函数，有效的分析预测出电机电磁噪声的特点。马敬等对电动汽车蠕行工况下电机的 阶振动噪声分析，得出驱动电机激励下的 阶噪声频率，并提出增加预置扭矩和优化扭矩阶跃强度的优化方案。等学者通过建立变速器的有限元模型和边界元模型，预测出变速器的振动噪声问题，并通过台架试验的结果与仿真分析结果进行对比，验证了仿真的准确性。徐忠四等人采用齿面修行法和提出双目标函数优化模型优化了减速器的齿面，降低了电动汽车减速器的啸叫噪声。于友明等人通过主观评价，对典型工况进行等措施对某轻卡的异响进行分 析 研 究，通 过 阶 次 分 析 确 定 异 响 来 源 于 主 减速器。以上文献都只针对电机或者减速器的振动噪声来源进行分析，但目前由于纯电动汽车动力总成集成化的特点，很难识别出动力总成产生的振动噪声来源。本文针对某国产车在加速过程中车内噪声大的问题，进行整车 加速工况试验，运用阶次分析法分析动力总成的振动噪声激励对车内噪声的影响，为后续优化提供试验支持。阶次分析理论阶次分析法是分析旋转机械问题的基本方法。通过阶次分析可以确定系统内各部分零件产生的响应（振动、噪声）对系统振动噪声总量级（，）的贡献有多大。电动汽车动力总成系统内部包含多个旋转运动的机械零件，电动汽车在急加速过程中作为一个激励源由振动噪声产生的瞬时转速波动信号会表现出明显的阶次特征，并且这些问题与激励源的转速相关，信号的特征频率与参考轴转频（也称基频）的比值恒定，这个比值就代表阶次。阶次、参考轴转速、信号特征频率三者的关系如下式所示。式中：阶次；信号特征频率；参考轴转速。阶次分析法以角域采样定理作为理论基础。在采集电动汽车急加速工况等非平稳工况的时域信号，将在时域中获取的转速信号从时域转换到角度域，通过进行短时傅立叶变换得到阶次谱，通过提取一阶次的转速波动信号从而得到转速波动幅值特征，能够实现与转速振动噪声响应有关的识别与分离。DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.030内燃机与配件 本文通过计算阶次跟踪的方式进行振动信号的阶次分析。首先根据加速度传感器和传感器采集的振动信号，经过短时傅立叶变换得到时频谱；然后结合电机壳体振动频率从时频谱中计算转速信号；随后对转速信号进行积分得到角度时间曲线，根据等角度间隔选取对应时刻值，接着根据该时刻值对原始数据进行等角度采样和拟合得到等角度信号；最后对获得的等角度信号进行快速傅里叶变换得到阶次谱。振动噪声测试试验试验以 声学 汽车车内噪声测量方法 为标准。选择较为平整路面，路面无砂石、积雪等杂物；选择没有噪声辐射的空旷场地，避免周围环境反射的噪声成为车内噪声来源，测试背景声压在 （）以下。天窗、车窗关闭，车内空调、雨刷、风扇以及电子设备关闭，车内只保留驾驶员和设备操作员。根据本文研究内容，纯电动汽车动力总成的激励（振动、噪声）对车内噪声的影响，所以要考虑纯电动汽车动力总成的工作特性，选择动力总成激励剧烈的工况进行研究分析。电动汽车在城市道路上行驶最大车速一般不高于 ，而且城市道路用车，汽车频繁起步加速的行驶特点，并且纯电动汽车在加速时，电池输出给电机的电流较大，容易引起电机气隙磁场饱和，此时电机气隙磁场产生的电磁力波成分较多、幅值较大，从而电机产生的振动噪声激励最明显。在加速工况时，电机输出的扭矩随着转速会持续增大，所以动力传递到减速器各级齿轮上的扭矩和激励也更大，从而引起减速器更大的振动噪声。根据以上情况，本试验选择 急加速工况进行测试。传感器的布置方法本次试验需求。测点布置图和图所示。图为声压传感器布置位置，图为振动传感器布置位置。（）动力总成近场噪声（）车内噪声图声压传感器布置位置（）左悬置被动端（）右悬置被动端（）后悬置被动端（）电机壳体图振动传感器布置位置车内噪声分析将车内驾驶员右耳侧噪声信号导入 软件中进行阶次分析得到图车内驾驶员右耳侧噪声瀑布图。图车内驾驶员右耳侧噪声瀑布图由图可得，在加速工况下，车内主要包含 阶、阶、阶阶次噪声。根据纯电动汽车动力总成振动噪声激励特点和动力总成电机、减速器结构参数，阶、阶、阶阶次噪声可能来源于动力总成电机、减速器运行时的振动噪声激励导致的。动力总成振动噪声分析本试验车动力总成电机为极 槽永磁同步电机。减速器为 二 级 三 轴 减 速 器，传 动 比 为 。对 在 的加速工况试验下获取的动力总成壳体振动时域信号、动力总成近场噪声时域信号以导入 软件的数据处理模块（）中进行阶次分析。动力总成振动瀑布图如图所示，动力总成近场噪声瀑布图如图所示。图动力总成振动瀑布图图动力总成近场噪声瀑布图 年第 期由图、图可以看到动力总成运行时会产生 阶、阶、阶、阶、阶、阶振动激励和 阶、阶、阶、阶、阶、阶、阶噪声激励。原因分析：（）驱动电机。本试验车驱动电机为极 槽 永磁同步电机，当 永 磁 同 步 电 机 定 子 绕 组 通 入 三 相 电 流后，定子绕组产 生 的 电 磁 场 会 与 转 子 永 磁 体 产 生 的 磁场在电机定子 与 转 子 之 间 的 气 隙 中 相 互 作 用，形 成 气隙磁动势，气隙磁动势产生的磁动势波作用的定、转子上，形成电磁力。电机在运行时，气隙磁场中产生的电磁力可以分为径向电磁力和切向电磁力。径向电磁力作用在定子 内 表 面 上 引 起 定 子 表 面 发 生 振 动 形 变，定子的振动又作用在电机壳体上引起电机壳体振动从而产生噪声由空气传递出去。而切向电磁力的主要作用是使转子产 生 转 矩，也 会 作 用 在 定 子 上 使 定 子 齿 根局部发生形变，引起振动，是永磁同步电机产生振动噪声的次要原因，可以忽略不计。综上所述，永磁同步电机在运行中其 产 生 的 振 动 噪 声 主 要 来 源 径 向 电 磁 力。整数槽永 磁 同 步 电 机 产 生 径 向 电 磁 力 的 阶 次 可 以 表示为：式中：为电机极对数，所以动力总成产生的 阶、阶、阶、阶、阶、阶振动噪声来自驱动电机。（）减速器。减速器为二级三轴减速器，传动比为 。减速器运行时产生的振动噪声直接影响整车的性能以及车内的声学环境。纯电动汽车采用的永磁同步电机具有高转速高扭矩的特点，并且基于电机调速范围大、加速平顺性好的特点，所以纯电动汽车一般采用结构简单、具有固定速比的二级三轴减速器。纯电动汽车电机直接与减速器匹配，由于加速过程中电机迸发的瞬时扭矩很大，减速器在传递扭矩的过程中，内部齿轮间的接触以及加速过程中的碰撞和摩擦会产生很大的振动和噪声。齿轮运行过程中内部齿轮辐射的噪声主要有齿轮敲击噪声、齿轮啸叫噪声。减速器在受载时，齿轮的实际重合度和传递误差是影响减速器产生振动和噪声的主要影响因素。随着齿轮在使用过程中不断受到冲击、磨损等激励，改变了齿轮的参数，从而影响着齿轮的传动误差，而传动误差激励直接影响振动的幅值。根据阶次分析理论公式，以动力总成电机转轴为参考轴，并定义其转动阶次为阶次。可以计算出减速器输入级齿轮副理论啮合阶次基频为 阶，二阶谐频为 阶则输出级齿轮副啮合阶次为 阶。齿轮参数和啮合阶次，如表所示。表齿轮参数与啮合阶次参数输入级输出级主动被动主动被动齿数 阶次 阶次 阶次 结论本文采用阶次分析法分析纯电动汽车动力总成产生的的振动噪声激励对车内噪声的影响，得出如下结论。试验车驱动电机在径向电磁力的作用下对外输出 阶、阶、阶、阶、阶、阶振动和噪声激励，减速器对外输出 阶齿轮啮合振动噪声激励。驱动电机产生的 阶、阶振动噪声激励和减速器产生的 阶振动噪声影响车内噪声环境。参考文献：，（）：，（）：马敬，黄伟，杨凡，等某纯电动汽车驱动系统 阶振动噪声的分析与优化汽车电器，（）：，（）：徐忠四，承忠平，高立新，等电动汽车减速器啸叫噪声的双目标优化汽车工程，（）：于友明，林文干，朱琪，刘锋基于阶次分析的某轻卡行驶异音调查专用汽车，（）：，：冯刚，刘桐桐，崔玲丽基于改进阶次分析与自适应的变转速齿轮箱故障诊断研究机械传动，（）：，王宇，郝志勇，郑康，等基于多向电磁力的永磁同步电机 电 磁 噪 声 分 析 浙 江 大 学 学 报（工 学 版），（）：，