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電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)激勵(lì)源振動(dòng)研究

2020-10-23 23:13:34·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
1 引言隨著新能源汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大部分企業(yè)已經(jīng)從關(guān)注動(dòng)力總成系統(tǒng)的功能逐漸轉(zhuǎn)移到性能上，其中就包括NVH性能。有統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，整車約有1/3故障問
1 引言
隨著新能源汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大部分企業(yè)已經(jīng)從關(guān)注動(dòng)力總成系統(tǒng)的功能逐漸轉(zhuǎn)移到性能上，其中就包括NVH性能。有統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，整車約有1/3故障問題和車輛NVH問題有關(guān)系，其中動(dòng)力總成的NVH性能更是首當(dāng)其沖。相比傳統(tǒng)燃油車來講，純電動(dòng)汽車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)背景噪聲的掩蓋，自身動(dòng)力總成系統(tǒng)的NVH問題更容易暴露，因此其NVH設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器及固定速比的減速器及差速器一體化設(shè)計(jì)組成的動(dòng)力總成成為純電動(dòng)汽車的3個(gè)主要激振源，改善動(dòng)力總成的NVH特性將作為整車NVH性能設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，對車輛的乘坐舒適性有著重要影響。
 
2 電機(jī)振動(dòng)分析
電機(jī)的NVH問題主要來源于三個(gè)方向：電磁、機(jī)械以及氣動(dòng)噪聲。其中氣動(dòng)噪聲對于水冷電機(jī)一般可以忽略。機(jī)械振動(dòng)主要與軸承和零部件裝配工藝相關(guān)，需要在制造階段通過把控零部件關(guān)鍵尺寸和裝配工藝水平加以改善。而電磁噪聲的表現(xiàn)均為隨轉(zhuǎn)速變化的階次嘯叫，辨識度較高，是消費(fèi)者和整車廠的主要關(guān)注點(diǎn)。
2.1 電磁振動(dòng)機(jī)理
引起電磁噪聲的電磁力，一方面有產(chǎn)生使電機(jī)（不）旋轉(zhuǎn)的切向力矩，即電磁轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩，另一方面有會引起定轉(zhuǎn)子變形和振動(dòng)的徑向力，這兩個(gè)方向的力和力矩是電機(jī)的一個(gè)母體效應(yīng)，只要電機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，就會這兩個(gè)力（力矩），從而產(chǎn)生相應(yīng)的電磁噪聲。
 
在這其中，最重要的就是徑向力波。電機(jī)內(nèi)部徑向電磁力密度fr可以表示為
 
式中Br、Bt—徑向、切向氣隙磁通密度；
μ0—空氣磁導(dǎo)率。
徑向電磁力在空間分布的花瓣個(gè)數(shù)，稱為徑向力的模數(shù)，它代表著徑向力在圓周上分布著幾個(gè)周期的正弦波。徑向力波的模數(shù)和定轉(zhuǎn)子極槽配合方案有關(guān)，一般為極數(shù)和槽數(shù)的最大公約數(shù)，另一方面，徑向力的模數(shù)越低，定子發(fā)生變形的節(jié)點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，形變越大?；谝陨瞎?，振動(dòng)幅值與力波模數(shù)的四次方成反比，因此避免出現(xiàn)低模數(shù)的徑向力波是減低電磁振動(dòng)主要方式。例如整數(shù)槽電機(jī)相對分?jǐn)?shù)槽，徑向力波模數(shù)較大，所以一般整數(shù)槽電機(jī)相對分?jǐn)?shù)槽電機(jī)來講，振動(dòng)噪聲情況會更好。
2.2 電磁減振措施
要從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)上來削弱電機(jī)的振動(dòng)一般主要考慮兩方面的問題：一是減小永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，二是減小定轉(zhuǎn)子永磁體之間的徑向吸引力。
優(yōu)化永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)炬的方法一直是永磁電機(jī)研究方面的一個(gè)熱點(diǎn)，主要方法有：采用分?jǐn)?shù)槽配合、定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極、優(yōu)化極弧系數(shù)、磁極分段優(yōu)化布置、不等齒靴寬度、磁極不對稱放置、增加輔助槽、優(yōu)化磁極形等。這些具體的削弱齒槽轉(zhuǎn)矩措施，在實(shí)際當(dāng)中需要結(jié)合電機(jī)的基本尺寸，如磁鋼厚度、槽開口、氣隙長度等，進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而對電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效削弱。
減小徑向力引起的振動(dòng)，一般主要從兩方面入手，一是提高定子結(jié)構(gòu)的剛度，和改變電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的諧振頻率以避免和電磁力的頻率一致，但增加定子剛度需要增加材料用量，材料利用率會降低；二是優(yōu)化或減小徑向電磁力，減小電磁力最有效的方法就是增大電機(jī)氣隙長度，減小電機(jī)的磁負(fù)荷，但這樣做的負(fù)面效應(yīng)也很明顯，會使得電機(jī)出力和反電勢等性能都有所將低，與之相比，通過改變定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來優(yōu)化電磁力波形是比較可行的方法。
 
3 電控
純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成電機(jī)一般會采用PWM變頻。這種情況下，會引起電機(jī)在PWM開關(guān)頻率附近的振動(dòng)。因?yàn)槿硕舾袇^(qū)間在2000Hz～8000Hz，所以當(dāng)產(chǎn)生一PWM開關(guān)頻率（一般在8K～10kHz之間）為載波的階次噪聲時(shí)，恰好在人耳敏感區(qū)，聲品質(zhì)上來講，尖銳度較大，穿透力很強(qiáng)，即使噪聲的幅值較小，也會產(chǎn)生人的主觀評價(jià)較差的結(jié)果。
對于這種情況，一般都是采取隨機(jī)PWM開關(guān)頻率的方法來進(jìn)行改善。這種方式可以分散PWM開關(guān)頻率引起的階次性噪聲的能量，使得該階次的能量，分散到多個(gè)頻率區(qū)間，從而降低主觀不適感。此外，采用諧波注入方式抑制指定階次的振動(dòng)，目前也成為電控降噪的主流方向之一。
 
4 減速器振動(dòng)分析
減速器是純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的主要激勵(lì)源。其異常的振動(dòng)基本上因?yàn)楣收?，其中包括齒輪故障、軸承故障、軸系故障、安裝不當(dāng)?shù)鹊?。減速器零部件的故障占比見表1。
表1 減速器零部件的故障占比
 
由表1可見，純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的故障主要發(fā)生在齒輪、軸承和軸上面。
4.1 齒輪
齒輪可以看做一個(gè)典型的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)模型如下：
 
式中：X—沿嚙合線上齒輪的相對位移；
M—齒輪換算質(zhì)量；
C—齒輪嚙合阻尼；
K（t）—齒輪嚙合剛度；
E1—齒輪受載后的平均變形；
E2（t）—齒輪誤差或故障造成的兩輪間的相對位移。
由上式可知，齒輪的振動(dòng)為自激振動(dòng)，公式左端代表齒輪副本身的振動(dòng)特征，右端為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看出，齒輪的振源來源于兩部分：一部分為常規(guī)振動(dòng)部分K（t）E1，是由正常的交變載荷引起的振動(dòng)，與齒輪誤差和故障無關(guān)；另一部分K（t），它取決于齒輪齒形加工誤差的綜合剛度K（t）和故障函數(shù)K2（t）。這一部分可以較好的解釋齒輪信號中邊頻存在及它們與故障的關(guān)系。
齒形誤差時(shí)，因?yàn)镋2（t），產(chǎn)生載波頻率為嚙合頻率及其倍頻，調(diào)制頻率為軸轉(zhuǎn)頻的調(diào)制現(xiàn)象。FFT上在嚙合頻率及其倍頻附近產(chǎn)生較明顯的邊頻帶。而當(dāng)E2（t）較為嚴(yán)重時(shí)， 因?yàn)檎駝?dòng)能量較大，會激起整個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率，colourmap圖上會出現(xiàn)明顯的共振帶，引發(fā)較為嚴(yán)重的振動(dòng)。
齒輪正常工作時(shí)，由于是均勻磨損產(chǎn)生，所以不會有明顯的調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)磨損較為嚴(yán)重時(shí)，嚙合階次的幅值明顯增大，而且轉(zhuǎn)速越高，幅值增大越明顯。
4.2 軸承
不同類型的軸承，其產(chǎn)生振動(dòng)原理略有不同。滑動(dòng)軸承的剛性更好，阻尼偏大，因此產(chǎn)生噪聲較小。但當(dāng)滑動(dòng)軸承潤滑不足時(shí)，也會產(chǎn)生摩擦噪聲。對于內(nèi)外徑同一級別的滾動(dòng)軸承來講，它的NVH表現(xiàn)就不如滑動(dòng)軸承。理論上，滾珠個(gè)數(shù)越多，越接近于滑動(dòng)軸承。因?yàn)殡姍C(jī)和減速器上常用的軸承是滾動(dòng)軸承，下面就滾動(dòng)軸承進(jìn)行一些研究。
（一）復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的噪聲
滾動(dòng)軸承的振動(dòng)源是它的零部件，包括內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等。各零部件工作時(shí)相互碰撞，就會產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。軸承加載時(shí)，由于各零件的運(yùn)行軌跡和載荷發(fā)生周期性的變化，它的彈性變形也會周期性變化，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。軸承零件振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)噪聲在軸承噪聲中占有重要的地位。
（二）有損壞的復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的振動(dòng)和噪聲
滾動(dòng)軸承因?yàn)榘惭b不當(dāng)或運(yùn)輸不當(dāng)，其中的各零部件會產(chǎn)生損傷。它的主要表現(xiàn)故障階次明顯增加。具體排查辦法是查找軸承的故障階次，查看配合尺寸，并更換軸承。
4.3 軸
（1）軸輕度彎曲
軸輕度彎曲工作時(shí)，會造成齒面磨損和齒廓變形。由此引起嚙合的齒距發(fā)生變化，而產(chǎn)生載波頻率為嚙合頻率及其倍頻，調(diào)制頻率為軸轉(zhuǎn)頻的調(diào)制現(xiàn)象。
（2）軸嚴(yán)重彎曲
當(dāng)軸的同軸度較差時(shí)，1階能量最為突出。因?yàn)檎駝?dòng)能量較大，會激起整個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率，引發(fā)較為嚴(yán)重的振動(dòng)。對齒輪和軸承都會產(chǎn)生較大沖擊。沖擊過程持續(xù)整個(gè)周期1/3 以上。因此保證軸的設(shè)計(jì)公差和來料檢測是保證軸系NVH性能的基礎(chǔ)。
4.4 減振措施
（1）齒輪參數(shù)的選用
表2 齒輪參數(shù)對減速器振動(dòng)噪聲的影響
 
（2）減速箱殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
可以增加軸承配合孔與減速器大箱體間的結(jié)構(gòu)剛度的方式，來減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；對于大范圍的薄壁結(jié)構(gòu)，增加加強(qiáng)筋，避免直接平面轉(zhuǎn)接；箱體內(nèi)部曲面過渡，特別是轉(zhuǎn)角處的圓角采用大半徑的圓弧，同時(shí)內(nèi)表面也用加強(qiáng)筋將大平面劃分成各種形狀各異的小平面相接，來降低殼體振動(dòng)，并減小輻射噪聲；
（3）輪齒修形
為補(bǔ)償嚙合產(chǎn)生的形變，對齒廓進(jìn)行修形，來強(qiáng)化傳遞平穩(wěn)過渡，也減少齒輪嚙合過程中的沖擊現(xiàn)象，使嚙合平穩(wěn)過渡，最終做到減小整體振動(dòng)噪聲。
（4）阻尼材料應(yīng)用
在結(jié)構(gòu)的表面貼覆阻尼材料，如大能等。
 
5 結(jié)語
隨著新能源行業(yè)的整合和泡沫刺破，市場對新能源汽車的要求也愈加具體和嚴(yán)苛。通過對純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成激勵(lì)源的研究，我們分別對動(dòng)力總成的電機(jī)，控制器以及減速器的各個(gè)激勵(lì)源的振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行探討，依據(jù)理論推理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出了從源頭上優(yōu)化動(dòng)力總成NVH性能的方向和辦法，可有效改善純電動(dòng)汽車的NVH表現(xiàn)，提升乘客主觀評價(jià)體檢。
 
【免責(zé)聲明】權(quán)飛，朱克非丨上海汽車電驅(qū)動(dòng)，版權(quán)歸原作者所有
 
 
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