摘要: 為了研究純電動汽車動力總成懸置的隔振性能，分別對純電動汽車和燃油車進行道路試驗。采用頻譜分析法對比了純電動車和燃油車的頻域特性，結(jié)合了懸置隔振率和車內(nèi)振動響應(yīng)，明確了懸置剛度對懸置隔振的影響。結(jié)果表明：純電動汽車動力總成產(chǎn)生的振幅小，頻率范圍廣，降低橡膠懸置的剛度對動力總成產(chǎn)生的高頻振動隔振效果好，但550 Hz 以下范圍內(nèi)隔振效果較差，同時造成了車內(nèi)7.5 Hz 以下的低頻振動明顯。為保證車內(nèi)乘員舒適性，純電動汽車動力總成懸置應(yīng)在滿足550 Hz 以下頻段隔振的前提下兼顧高頻段隔振。關(guān)鍵詞: 純電動汽車；動力總成；懸置；頻譜分析；隔振率；剛度隨著各國汽車工業(yè)的相關(guān)政策導(dǎo)向，國內(nèi)外各大主機廠對以電動汽車為主的新能源汽車發(fā)展愈發(fā)重視，也使電動汽車的噪聲、振動和粗糙度（NVH）性能成為整車研發(fā)的一個重要指標(biāo)。而動力總成懸置系統(tǒng)是連接動力總成和車身的重要部件，在衰減動力總成產(chǎn)生的振動方面有著重要的作用。發(fā)動機產(chǎn)生的所有振動都是由連桿傳遞到整個車身［1］，發(fā)動機又是動力總成中主要的振動源。因此，動力總成懸置對于傳遞動力總成產(chǎn)生的振動起著重要作用。對于純電動汽車而言，動力總成由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機變成了驅(qū)動電機，對動力總成懸置的隔振性能產(chǎn)生了影響：① 電機與內(nèi)燃機的運動方式不同，懸置支架安裝形式需改變；② 電機的工作特性使動力總成激起的頻率范圍改變，懸置需要考慮更寬頻帶的隔振。國內(nèi)外學(xué)者對燃油車動力總成懸置的研究主要考慮懸置的隔振性對車內(nèi)振動噪聲的影響，并通過所得懸置隔振率來優(yōu)化懸置的剛度、安裝位置等參數(shù)，以及針對不同懸置的特性對隔振性能進行優(yōu)化［2-5］。而目前對純電動汽車動力總成懸置隔振性能的研究仍停留在針對電磁激勵力和懸置的隔振率來確定主要激勵源，并改進懸置剛度、安裝位置以及懸置支架［6-8］。但純電動汽車由于電驅(qū)動總成的結(jié)構(gòu)和電機的工作特性，使動力總成的隔振性能不僅僅要考慮隔振率，還要考慮不同頻段內(nèi)的隔振效果，并將懸置的隔振效果與車內(nèi)的振動響應(yīng)相關(guān)聯(lián)，評價純電動汽車動力總成懸置的隔振性能。本文通過對比穩(wěn)態(tài)工況和加速工況下純電動汽車與燃油車的動力總成振動特性，研究了不同頻段內(nèi)純電動汽車的隔振效果，并分析了懸置剛度對懸置隔振效果的影響以及車內(nèi)的振動響應(yīng)，綜合評定了純電動汽車懸置系統(tǒng)應(yīng)該重點關(guān)注的頻率范圍，為純電動汽車的動力總成懸置的設(shè)計和優(yōu)化提供了參考方向。1 電驅(qū)動總成與燃油車動力總成結(jié)構(gòu)比較純電動汽車與傳統(tǒng)燃油車相比，動力總成由驅(qū)動電機替代了內(nèi)燃機，不僅使動力總成質(zhì)量降低，其運動方式發(fā)生了變化，而且也使傳動系統(tǒng)產(chǎn)生了變化。本文對國產(chǎn)的某型燃油車和純電動汽車進行對比分析，試驗所用燃油車的動力裝置為直列四缸汽油機，純電動汽車的動力裝置為永磁同步驅(qū)動電機，電機定子槽數(shù)為48，磁極數(shù)為8。動力總成的結(jié)構(gòu)差異如表1 所示。

由于驅(qū)動電機的工作特性，使純電動汽車不再需要離合器來切斷動力裝置與傳動系統(tǒng)之間的連接，而是直接將動力裝置與傳動系統(tǒng)連接在一起。電機和減速器組成的直接齒輪耦合系統(tǒng)雖然可獲得較好的加速性能，但同時帶來的最大問題就是軸系振動［9］。又因為電動汽車的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速范圍廣，也不再需要多擋位的變速器來調(diào)節(jié)車速。Li等［10］應(yīng)用逐級拆卸的方法證明，減差速器是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲的主要來源。因此，對于純電動汽車懸置的隔振性能分析，要考慮包括變速器在內(nèi)的動力總成的振動特性。2 整車道路試驗應(yīng)用西門子LMS SCADAS 多通道數(shù)據(jù)采集儀和壓電式三向加速度傳感器，分別采集燃油車和純電動汽車3 個懸置主、被動側(cè)和車內(nèi)響應(yīng)點在低速穩(wěn)態(tài)工況和加速工況的振動加速度信號，試驗工況如表2 所示。傳感器布置情況如圖1 所示。

3 懸置系統(tǒng)頻譜分析3.1 低速穩(wěn)態(tài)工況分析通過頻譜分析，能夠清晰地看出采集的振動信號在各個頻率下的幅值大小。因此，可以應(yīng)用頻譜分析來明確動力總成振動的主要頻率范圍。低速穩(wěn)態(tài)工況下燃油車和純電動車懸置主動端的振動加速度頻譜圖如圖2 所示。

由圖2 可見：燃油車振幅較大的頻率主要集中在2 800 Hz 以下，振幅在0.10g 左右，最大振幅達到0.31g，在2 800~7 400 Hz 范圍內(nèi)有略高的幅值，但與2 800 Hz 以下的幅值相比較小，僅有0.02g；而純電動汽車在6 000 Hz 頻帶以內(nèi)有較大的振幅，振幅在0.05g 左右，最大值達到0.16g，并且在9 500~10 500 Hz 范圍內(nèi)存在較高的振幅，幅值達到了0.10g。由此可見，與燃油車相比，純電動車振幅略低，振幅較大的頻率范圍更廣。經(jīng)懸置衰減后的被動端振動加速度的頻譜圖如圖3所示，燃油車振幅較大的頻率范圍主要在2 000 Hz以下，振幅為0.004g，最大振幅達到了0.030g；而純電動車則在3 850 Hz以下，振幅較大的頻帶主要集中在400 Hz 以下，振幅在0.010g 以上，最大振幅達到了0.030g。因此，燃油車和電動車通過橡膠懸置可以大幅度衰減動力總成產(chǎn)生的振動，與燃油車相比，在低速穩(wěn)態(tài)運行工況中，純電動汽車動力總成被動端的振動在4 00 Hz 以下頻帶內(nèi)的振幅更大。

3.2 加速工況加速工況能夠反映出車輛的車速變化時汽車的振動特性。加速工況下燃油車和純電動汽車懸置主動端的頻譜圖如圖4 所示。燃油車在2 500 Hz 以下時，有較大的振幅，在0.25~0.35g之間，最大的振幅值達到了0.55g；2 500~4 400 Hz 頻帶范圍內(nèi)的振幅略高，在0.05g 附近。而純電動汽車在3 300 Hz 以下以及6 700~12 450 Hz 的范圍內(nèi)均有較高的振幅，幅值在0.10g 附近，最大值達到0.26g。在加速工況下，純電動汽車比燃油車的振動范圍更廣，在2 500 Hz以下時，振幅比燃油車小，在6 000 Hz以上時，純電動汽車比燃油車的振幅要大。

加速工況下懸置被動端頻譜圖如圖5 所示，經(jīng)懸置衰減后，燃油車較大振幅主要在3 900 Hz 以下，其中主要集中在2 100 Hz 以下的頻段內(nèi)，振幅主要在0.010g 附近；而純電動汽車則主要集中在3 400 Hz 以下，振幅主要在0.004g 左右。

綜上所述，燃油車懸置主動端較大振幅的頻率主要集中2 800 Hz 以下，在此頻段內(nèi)懸置主動端振幅，燃油車明顯高于純電動汽車；而純電動車的頻率分布較均勻，在12 450 Hz 以內(nèi)均有較大的振幅，并且純電動車在6 000 Hz 以上頻率范圍的振幅要高于燃油車。雖然純電動汽車的動力總成高頻振動明顯，應(yīng)讓懸置支架的模態(tài)頻率避免出現(xiàn)在高頻范圍內(nèi)，但高階模態(tài)所占能量比較低，不易被激起。經(jīng)懸置衰減后，燃油車的較大振幅主要集中2 000 Hz 以下；而電動車則在3 800 Hz 以下，主要集中在400 Hz 以內(nèi)的頻帶內(nèi)。因此，純電動汽車被動端的支架的模態(tài)頻率應(yīng)主要避開400 Hz 以內(nèi)的頻率，以免發(fā)生共振造成懸置的隔振性能降低。4 懸置系統(tǒng)隔振性能分析4.1 隔振率分析懸置隔振可以通過隔振率來描述，即通過主、被動端的振動加速度的比值來獲得隔振率，用分貝的形式表示如下：

式中：T 為隔振率；a1為主動端振動加速度；a2為被動端振動加速度。一般認(rèn)為隔振率T≥20 dB 時，懸置的隔振效果良好；在要求不高時，T≥15 dB 也認(rèn)為懸置滿足隔振要求。由式（1）可知，T≥20 dB 時，懸置衰減掉了主動端90.00% 的振動；T≥15 dB 時，懸置衰減掉了主動端81.22% 的振動。應(yīng)用式（1）分別計算加速工況下燃油車和純電動車的懸置的隔振率。燃油車的部分懸置隔振率如圖6 所示，燃油車的懸置在1 000 Hz 以內(nèi)的頻率范圍內(nèi)，除了部分頻率，如左懸置Y 方向240 Hz 附近的隔振效果較差以外，其余部分均能滿足隔振要求；而對于1 000 Hz 以上的頻率范圍，還存在部分頻率區(qū)間隔振效果差的情況，如左懸置Y 方向4 300~7 700 Hz 的范圍。因此，對于燃油車而言，在1 000 Hz 以下的頻率范圍內(nèi)隔振效果較好，而1 000 Hz 以上的頻率范圍，存在區(qū)間范圍的隔振效果較差的情況，所以燃油車的動力總成懸置，要多考慮高頻振動的隔振。

由頻譜分析可知，加速工況下，純電動汽車動力總成產(chǎn)生的振動頻率范圍較廣，但在2 500 Hz 以下時，幅值比燃油車低。純電動汽車的懸置隔振率曲線如圖7 所示。由隔振率曲線圖可得，純電動汽車的動力總成懸置在高頻段的隔振效果較好，基本滿足T≥20 dB 的隔振需求，對于部分隔振效果較差的頻段內(nèi)，也基本滿足了T≥15 dB，只有個別的頻率附近的隔振效果出現(xiàn)了較差的情況，如后懸置Y 方向的2 550 Hz 附近；沒有出現(xiàn)較大的區(qū)間的隔振效果較差的情況。但在550 Hz 以下的頻率區(qū)間內(nèi)均出現(xiàn)了隔振效果較差的情況，并且主要在350 Hz 以下的區(qū)間內(nèi)隔振性較差。

對于普通橡膠懸置軟墊的懸置系統(tǒng)而言，阻尼一般很小，可以不予考慮［11］。因此，主要考慮橡膠懸置剛度對隔振性能的影響。為了起到良好的隔振的效果，在低頻大振幅時，要求懸置有較大的剛度；在高頻小振幅時，要有小剛度。對采集的試驗數(shù)據(jù)進行處理，分別擬合出燃油車和純電動汽車橡膠懸置的動剛度，如圖8 所示。由圖8 可以明顯看出，純電動汽車動力總成橡膠懸置的的動剛度要明顯低于燃油車。并且可以明顯看出橡膠懸置的特性，即橡膠件的剛度隨著頻率的增大而變大，而這與懸置的隔振要求恰好相反。因此，針對純電動汽車動力總成高頻振動明顯、振幅較小的特點，將橡膠懸置的剛度整體降低，可以使高頻有良好的隔振效果，但卻造成了懸置在低頻段隔振效果變差問題。

4.2 車內(nèi)目標(biāo)點響應(yīng)分析動力總成所產(chǎn)生的振動經(jīng)懸置系統(tǒng)衰減后通過車身結(jié)構(gòu)路徑傳遞至駕駛室內(nèi)，使車內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，進而影響車內(nèi)駕乘人員的乘坐舒適性。因此，通過在座椅滑軌設(shè)置加速度傳感器采集車內(nèi)的振動信號來分析車內(nèi)的振動響應(yīng)，經(jīng)過頻譜分析所得車內(nèi)目標(biāo)點的頻譜圖如圖9 所示。將車內(nèi)響應(yīng)點的頻域響應(yīng)與懸置的隔振效果相結(jié)合，綜合分析動力總成懸置的隔振性能。

由圖9 可以得出，座椅滑軌3 個方向在7.8 Hz以上的頻段振幅均較小，在7.8 Hz 以內(nèi)，座椅滑軌3個方向的振幅較明顯，并出現(xiàn)了先增后減的趨勢，X、Z 方向在1.6 Hz 附近出現(xiàn)峰值，Y 方向在5 Hz 附近出現(xiàn)峰值。而人體對水平方向1~2 Hz 范圍內(nèi)的振動敏感，垂直方向4~8 Hz 的振動敏感。因此，所研究的純電動汽車動力總成所產(chǎn)生的振動經(jīng)結(jié)構(gòu)傳遞至車內(nèi)后，車內(nèi)部件振幅較大的頻率范圍與人體敏感頻率范圍發(fā)生了一定程度重疊，會使車內(nèi)駕乘人員的乘坐舒適性降低。綜上所述，由于純電動汽車與燃油車的激勵源的不同，使得選擇的橡膠懸置軟墊產(chǎn)生差異，進而造成不同頻率下的隔振效果不同。純電動車的動力裝置為驅(qū)動電機，隨著轉(zhuǎn)速的增加，相比于內(nèi)燃機的2 階點火階次，驅(qū)動電機的振動的變化程度沒有內(nèi)燃機劇烈，本文試驗用的純電動汽車驅(qū)動電機的磁極數(shù)為8，所以在動力總成中，由于驅(qū)動電機的8 階及其諧階次的電磁振動以及驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速范圍較高，造成了純電動汽車動力總成產(chǎn)生的激勵在高頻段也有較大的振幅。動力總成的低頻振動意味著大振幅振動，高頻振動意味著小振幅振動，對于隔振控制的問題，尤其要注意50 Hz 以下的頻率范圍［4，12］。因此，針對純電動汽車動力總成質(zhì)量低、振幅小、頻率范圍高的特點，可以通過降低橡膠懸置的剛度來實現(xiàn)高頻段較好的隔振效果，但懸置剛度的降低也造成了純電動汽車在510 Hz 以下頻段內(nèi)隔振效果變差的問題。并且人體本身對低頻振動更加敏感，由于純電動汽車在510 Hz 以下的隔振效果較差，也造成了傳遞至車內(nèi)以后，使駕駛艙內(nèi)的振幅較明顯的頻率范圍與人體敏感的頻率范圍有部分重疊，會造成舒適性降低。因此，純電動汽車的動力總成懸置需要更注重510 Hz 以內(nèi)，特別是350 Hz 以下頻段內(nèi)的隔振效果。5 結(jié)論通過對所采集的信號進行頻譜分析，計算懸置隔振率，并結(jié)合車內(nèi)響應(yīng)點振動的頻域特性，分析純電動汽車的隔振性能，可得如下結(jié)論：（1）在低速穩(wěn)態(tài)工況和加速工況下2 800 Hz以下的頻段內(nèi)，純電動汽車的振幅明顯低于燃油車；且純電動汽車動力總成在12 450 Hz 以內(nèi)的頻帶內(nèi)都有明顯的振幅，在6 000 Hz 以上的頻段內(nèi)，純電動汽車動力總成振幅要高于燃油車。（2）加速工況下，大剛度的橡膠懸置使燃油車在1 000 Hz 以內(nèi)的頻率范圍內(nèi)，懸置的隔振效果基本能滿足要求；但在1 000 Hz 以上的范圍，懸置系統(tǒng)出現(xiàn)了在較大的頻率區(qū)間內(nèi)隔振效果下降的現(xiàn)象。純電動汽車小剛度的橡膠懸置，在高頻段內(nèi)的隔振效果良好，基本滿足隔振要求；但在550 Hz 以下，尤其是350 Hz 以內(nèi)的頻段隔振效果差，經(jīng)車身傳遞至車內(nèi)后，使車內(nèi)7.5 Hz 以下的頻段內(nèi)振動較為明顯。綜上所述，由于純電動汽車動力總成產(chǎn)生的激勵有幅值小、頻帶寬的特點，降低橡膠懸置的剛度有利于高頻隔振，但會造成車內(nèi)7.5 Hz 以下的低頻振動明顯，與人體的敏感頻段發(fā)生重合，造成乘坐舒適性降低。因此，對于純電動汽車而言，懸置剛度應(yīng)該在保證550 Hz 以下頻段隔振的前提下，對其進行適當(dāng)?shù)慕档?，使低頻到高頻均有良好的隔振效果。

作者：陳克，駱嘉暉作者單位：（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧沈陽110159）

來源：中國工程機械學(xué)報往期