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乘用車電驅(qū)系統(tǒng)NVH綜合性能研究

2021-09-12 22:10:58·  來源：公路與汽運  
　
作者：陳建明，馮勤龍，沈丁建，朱咸強，毛鴻鋒，黃明明作者單位：（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412005） 隨著人類進(jìn)入電氣智能時代及電動汽車的
作者：陳建明，馮勤龍，沈丁建，朱咸強，毛鴻鋒，黃明明
作者單位：（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412005）
隨著人類進(jìn)入電氣智能時代及電動汽車的普及，主機廠對電驅(qū)總成性能的要求越來越高。電動汽車的NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能作為重要駕駛性能之一，受到零部件供應(yīng)商及主機廠的重點關(guān)注。
與傳統(tǒng)燃油車及其他新能源車相比，純電動汽車動力總成結(jié)構(gòu)更簡單、緊湊，輸出扭矩及在整車上表現(xiàn)的加速性能更優(yōu)秀。驅(qū)動電機普遍采用永磁同步電機，變速箱則簡化為減速器及差速器的集成，結(jié)構(gòu)大為簡化，但同時帶來NVH 性能挑戰(zhàn)。
 
驅(qū)動電機朝著寬調(diào)速區(qū)間、高轉(zhuǎn)速及輕量化方向發(fā)展，尤其是電機帶來的高頻電磁噪聲機理較復(fù)雜，聲品質(zhì)較差，噪聲污染性較嚴(yán)重。同時，電機控制器IGBT 器件引入的開關(guān)頻率使進(jìn)入電機的電流發(fā)生“鋸齒狀”畸變，從而引入帶有開關(guān)頻率的電磁噪聲。
 
減速器的一級齒輪與電機一般采用花鍵等硬鏈接方式，相對于傳統(tǒng)變速箱其結(jié)構(gòu)更簡化、緊湊，但失去了能降低扭矩波動、轉(zhuǎn)速波動的中間連接部件（如離合器） ，導(dǎo)致電機輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速波動被直接傳遞至車輪，造成車身縱向抖動嚴(yán)重。
 
綜上，驅(qū)動電機、減速箱、電機控制器集成之后的結(jié)構(gòu)構(gòu)型及振動噪聲特點的不同導(dǎo)致純電動汽車開發(fā)中對動力總成NVH 性能提出了新的、更高的要求。
1. 驅(qū)動電機激勵原理及振動特征
目前市面上大多采用永磁同步電機作為車用驅(qū)動電機（也有少數(shù)采用異步電機） ，其特點是損耗小、功率高、效率高、調(diào)速區(qū)間寬及定位準(zhǔn)確。其振動噪聲的主要影響因素包括PWM 頻率、極槽比配合、定轉(zhuǎn)子特征模態(tài)、殼體固有特性等。電機振動噪聲主要是電機的電磁力，可分為電機徑向力和切向力。電機徑向力是電機徑向振動的主要激勵源，電機切向力主要輸出電機扭矩。盡管電機本體振動幅值較小，但由于其頻率較高，主觀感受為“滋滋”的高頻電磁噪聲，長期處于該環(huán)境中，容易使人產(chǎn)生煩躁、頭痛等生理反應(yīng)，嚴(yán)重影響駕駛安全及乘車舒適性。其中電機控制器IGBT 器件引起的傘狀階次噪聲f可用式（1）表示：
 
 
式中：f 0 為IGBT 開關(guān)頻率；p 為電機磁極對數(shù)；Srpm 為電機轉(zhuǎn)速。
通常通過調(diào)整控制策略及整車聲學(xué)包處理解決PWM 開關(guān)頻率噪聲，方法如下：
1 ） 將開關(guān)頻率PWM 提高到10 kHz 或以上，盡量避開人耳聽覺的敏感區(qū)域；
2） 將離散開關(guān)頻率轉(zhuǎn)為隨機開關(guān)頻率，使開關(guān)頻率部分的能量能分散，避免能量集中；
3 ）將PWM“畸變”的電流信號通過整流電路進(jìn)行濾波處理，使“畸變”的電流信號盡量光滑，減少諧波；
4）在傳遞路徑方面，通過在整車方面提供匹配的聲學(xué)材料，提升整車NVH 性能。
作用在定子齒面的徑向電磁力，根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法，氣隙磁場中單位面積電磁力瞬時值p n θ ，t 可用式（2）表示：
 
 
式中：b（θ ，t）為電機氣隙磁密；μ0 為真空磁導(dǎo)率。
從式（2）來看，電機電磁力具有時空特性，分析電磁力的關(guān)鍵在于對其時空二維進(jìn)行諧波分析?？刹捎肍FT 二維變換處理。
通常電機負(fù)載情況下，電機諧波主要包含以下部分：
1） 轉(zhuǎn)子磁場自身作用產(chǎn)生的電磁力；
2） 電樞反應(yīng)磁場自身作用產(chǎn)生的電磁力；
3） 轉(zhuǎn)子磁場與電樞反應(yīng)磁場諧波相互作用產(chǎn)生的電磁力。
其中主要電磁力諧波由轉(zhuǎn)子諧波及定子諧波耦合而成。諧波耦合是線性計算過程，可用式（3）表示：
 
 
式中：u 為轉(zhuǎn)子諧波，u ＝ （2γ ＋ 1 ） p （γ ＝ 0 ，1 ，2 ，… ） ；v 為定子諧波，對于整數(shù)槽繞組，v ＝ （6k ＋ 1）p（k ＝ 0 ，± 1 ，± 2 ，… ） ；對于分?jǐn)?shù)槽繞組，v ＝ （6k ／d ＋1）p （k ＝ 0 ，± 1 ，± 2 ，… ） 。
通常認(rèn)為電機定子鐵心的變形量與力波次數(shù)的4 次方成反比，與力波幅值成正比。以8 極48 槽電機為例，因整數(shù)槽的永磁同步電機力波次數(shù)只能是零或2 p ，且當(dāng)極對數(shù)大于2 時，大于4 次的力波在振動噪聲計算中可忽略不計，故該驅(qū)動電機的力波次數(shù)只能為零。圖1 為某車型驅(qū)動電機電磁方案。
 
 
2. 減速箱激勵原理及振動特征
由于驅(qū)動電機的特點鮮明，調(diào)速范圍廣，響應(yīng)快，純電動汽車減速箱通常作為電驅(qū)系統(tǒng)中減速增矩的裝置來替代傳統(tǒng)燃油車的變速箱。一般減速箱第一級齒輪采用花鍵軸與電機軸硬連接，其結(jié)構(gòu)更緊湊，成本更低。但缺少變速箱、離合器等衰減電機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速波動的裝置，造成扭矩和轉(zhuǎn)速直接傳遞至車輪，使整車縱向抖動更明顯，扭矩變化速率大，同時產(chǎn)生嚴(yán)重的齒輪嘯叫問題。
減速器NVH 問題通常由齒輪的宏觀參數(shù)設(shè)計、齒輪變形、殼體剛度、制造誤差、裝配誤差、齒輪自身的微觀修行等因素導(dǎo)致。實際工作中，齒輪的傳遞角度與理想角度總是存在一定偏差，這就是齒輪的傳遞誤差。通常齒輪的傳遞誤差水平控制直接決定齒輪嘯叫問題的嚴(yán)重程度。而輪齒對齒面的載荷偏載也會導(dǎo)致較嚴(yán)重的振動噪聲。為控制減速箱振動噪聲，斑點測試和傳遞誤差測試必不可少。
減速箱振動噪聲問題的解決方案有：
1） 宏觀參數(shù)選擇，合理避開電機主要階次；
2） 微觀參數(shù)選擇，通過合理控制微觀參數(shù)，減輕齒輪的嘯叫問題；
3 ）提高輪齒的加工精度，將裝配精度控制在合理范疇。這需要積累大量工藝裝配經(jīng)驗，并不斷進(jìn)行測試驗證，從而將減速器NVH 水平提高到更高的水平。
表1為某款車型減速箱齒輪對（見圖2）傳遞誤差。二級嚙合齒輪對，優(yōu)化方案傳遞誤差TE 仿真數(shù)據(jù)比原方案有明顯改善。
 
 
3. 某款電驅(qū)系統(tǒng)NVH 優(yōu)化
圖3 為某車型三合一總成。眾所周知，電驅(qū)系統(tǒng)的激勵源是電機電磁力激勵及齒輪輪齒對產(chǎn)生的嚙合力。正向開發(fā)流程中，電機、減速箱同步進(jìn)行NVH 開發(fā)，待單體優(yōu)化完成后加上控制器殼體進(jìn)行總成開發(fā)，更進(jìn)一步則加上控制算法進(jìn)行總成振動噪聲開發(fā)。
 
 
3.1 驅(qū)動電機NVH 優(yōu)化
驅(qū)動電機NVH 優(yōu)化一般按照開發(fā)流程進(jìn)行。得到初版電磁方案后，對其氣隙磁密、電磁力波進(jìn)行分解分析，觀測反電動勢波形的正弦性；然后采用磁固耦合分析方法將氣隙電磁力施加到定子齒面，計算定子外表面的諧響應(yīng)進(jìn)行評估，同時對轉(zhuǎn)子通過磁固耦合方法計算扭振響應(yīng)進(jìn)行評估。將上述計算結(jié)果與經(jīng)驗值進(jìn)行比較，如果計算值存在異常，則采取定子開輔助槽、轉(zhuǎn)子開輔助槽、轉(zhuǎn)子增加隔磁孔、分段斜極等措施進(jìn)行處理。圖4 為某車型驅(qū)動電機針對48 階噪聲的優(yōu)化方案，優(yōu)化前后氣隙磁密諧波含量對比見圖5 ，電機定子外表面響應(yīng)對比見圖6 。
 
 
 
 
從圖5 可看出：優(yōu)化后，引起48 階噪聲的11 和13 階次磁密含量明顯減少。
從圖6 可看出：48階噪聲（對應(yīng)圖6（a）中1600和圖6（b）中3600Hz等效聲功率）降低4～5dB 。說明在電機轉(zhuǎn)子的適當(dāng)位置增加隔磁孔能有效抑制電機48 階對應(yīng)的諧波含量。
根據(jù)式（4）進(jìn)一步計算兩種方案下電機扭矩脈動值δ ，計算結(jié)果見圖7 。從圖7 可看出：兩種方案的扭矩波動值相差在允許范圍內(nèi)。原方案扭矩脈動值為4 .97％ ，優(yōu)化方案扭矩脈動值為1 .95％ ，優(yōu)化方案的表現(xiàn)更優(yōu)，說明優(yōu)化方案可行。
 
 
對兩種方案通過整車進(jìn)行NVH 測試驗證，優(yōu)化前后整車WOT 工況下近場電機48 階噪聲測試結(jié)果見圖8 。
 
 
從圖8可看出：優(yōu)化后，電機48階噪聲在低速工況下平均降低5dB（A）左右，與仿真結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗證了優(yōu)化方案的可行性。
3.2 減速器NVH優(yōu)化
某車型減速器主要存在減速器特征階次嘯叫問題，對應(yīng)階次為26和9.02階。為此，針對減速器1 、2級階次嘯叫問題進(jìn)行兩輪輪齒優(yōu)化。
第一輪優(yōu)化主要在保持輪齒宏觀參數(shù)不變的情況下對微觀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過輪齒參數(shù)檢測，發(fā)現(xiàn)齒形斜率誤差及齒向斜率誤差較大，經(jīng)過微觀磨齒優(yōu)化，減小齒形和齒向斜率誤差，將其控制在合適精度范圍內(nèi)。磨齒前，齒輪的徑向跳動誤差及鼓形量誤差都較大，磨齒優(yōu)化后盡量降低徑向跳動誤差及齒輪的鼓形量誤差。圖9 為第一輪輪齒優(yōu)化后WOT工況測試結(jié)果。
 
 
從圖9可以看出：減速器26階噪聲司機室內(nèi)控制在31dB（A）左右，滿足客戶要求。因此，可將第一對輪齒參數(shù)、工藝裝配參數(shù)進(jìn)行固化，便于后續(xù)NVH 問題控制。9.02 階噪聲在2000～3100r/min速度區(qū)間存在局部峰值，對應(yīng)頻率為300～470Hz，為左懸置共振引起的局部噪聲加強。
第二輪優(yōu)化設(shè)計A 、B兩套修行方案（見表2）并安排4 臺樣車進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果見圖10。
 
 
從圖10可看出：第二輪齒輪修行方案（A、B）下，轉(zhuǎn)速為2500～3000r/min 時，9階噪聲偏大，對比原狀態(tài)和第一輪優(yōu)化結(jié)果，存在一定惡化。26階噪聲，A 、B 方案均可接受。9.02階噪聲工況區(qū)間為2100～3500r/min，對應(yīng)頻率為300～470Hz 。
針對9 階噪聲惡化問題進(jìn)行排查。初步判斷該問題為低速低頻問題，采用排除方法進(jìn)行分析。動力總成出現(xiàn)低頻問題可能是由于電機旋變蓋板及電控的上蓋板剛度不足。但進(jìn)一步分析二者振動數(shù)據(jù)，該頻率區(qū)間沒有出現(xiàn)明顯振動帶。因此，可以排除這兩個零部件，基本排除動力總成的問題。進(jìn)一步將振動傳感器布置區(qū)域擴大至懸置。根據(jù)圖10 ，該問題主要是由于300 ～ 470 Hz 區(qū)間共振帶導(dǎo)致9 .02階次噪聲加強而引起的局部噪聲加強效應(yīng)，根據(jù)推斷及后續(xù)測試數(shù)據(jù)判斷與左懸置被動端支架模態(tài)偏低有關(guān)。9 .02 噪聲與左懸置問題區(qū)域基本一致，判斷9 .02 階噪聲惡化現(xiàn)象是由于左懸置剛度較低引起，可將左懸置剛度提高，消除共振引起的噪聲加強現(xiàn)象。
4 結(jié)語
本文闡述了電機激勵原理及振動規(guī)律，分析了PWM 載波對動力總成噪聲的影響，并提出對應(yīng)措施；闡述了減速器激勵原理及振動特性，分析了純電動汽車減速器與傳統(tǒng)燃油車的區(qū)別，提出了控制減速器所引起噪聲的措施；最后以某車型純電動動力總成為例，對驅(qū)動電機及減速器進(jìn)行NVH 優(yōu)化，使其動力總成符合客戶要求。
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