史文庫,劉國政,宋海生,陳志勇,張 寶

(1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春130022;2.一汽-大眾汽車有限公司,長春130011;3.南京依維柯汽車有限公司,南京210028)

0 引 言

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相比,電動(dòng)車僅僅由電機(jī)提供動(dòng)力,人們往往認(rèn)為電動(dòng)車振動(dòng)噪聲會(huì)很小,但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)“掩蔽效應(yīng)”的消失,許多在傳統(tǒng)車上不易發(fā)覺的振動(dòng)噪聲問題凸顯出來,例如風(fēng)扇噪聲、齒輪嚙合的振動(dòng)噪聲、電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲等[1-3]。

近些年來,國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)車的振動(dòng)噪聲問題進(jìn)行了研究。Pellerey等[4,5]對(duì)純電動(dòng)車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行磁固耦合仿真分析,證明車用永磁同步電機(jī)的電流諧波對(duì)振動(dòng)噪聲的影響較大。Shin等[6]對(duì)某新型電動(dòng)車的噪聲進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn),發(fā)現(xiàn)電動(dòng)車比同類型的內(nèi)燃機(jī)汽車噪聲低10 dB(A),但是電動(dòng)車高頻噪聲明顯。Wang等[7]認(rèn)為電動(dòng)車電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)引起整車的低速抖動(dòng),特別是當(dāng)波動(dòng)的頻率與傳動(dòng)系諧振頻率接近時(shí)。嚴(yán)剛等[8]對(duì)某純電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和電池散熱風(fēng)扇對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。黃孝慈等[9]分析了混合動(dòng)力汽車在純電動(dòng)和混合工況下的噪聲源,得出復(fù)合行星排齒輪嚙合是純電動(dòng)模式下主要噪聲源。方源等[10]對(duì)集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車進(jìn)行整車臺(tái)架試驗(yàn),分析了正驅(qū)工況和倒拖工況下動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲特性,得出電磁噪聲和齒輪嘯叫是電動(dòng)車主要噪聲源;低速時(shí),動(dòng)力總成和輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲為車外噪聲的主要來源。朱宇[11]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立純電動(dòng)車聲品質(zhì)的預(yù)測模型,分析了驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)車內(nèi)聲品質(zhì)的影響。郭榮等[12]對(duì)燃料電池轎車主要噪聲源進(jìn)行識(shí)別,確定噪聲源為燃料電池輔助系統(tǒng)。

本文以某純電動(dòng)客車為研究對(duì)象,對(duì)整車振動(dòng)噪聲進(jìn)行道路工況試驗(yàn),分析車內(nèi)駕駛員和后排座椅位置振動(dòng)噪聲特性,得到了在勻速和加速行駛工況下的車內(nèi)振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源。本文研究可為下一步整車NVH性能提升提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為中型客車,車長為6 m,軸距為3.3 m。空載質(zhì)量為3650 kg,滿載質(zhì)量為5200 kg,座位數(shù)17人(含駕駛員)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī),峰值功率為100 k W。電池為磷酸鐵鋰電池,336 V,200 A·h。

圖1為電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)圖,一共裝有4塊動(dòng)力電池,均勻布置在車架上。電機(jī)布置在底盤中間位置,電機(jī)輸出軸通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給后橋,省去了傳統(tǒng)汽車的變速器和離合器,直接通過電機(jī)調(diào)速。

圖1 整車結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of electric vehicle

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)樣車進(jìn)行加速、勻速工況下車內(nèi)外振動(dòng)噪聲試驗(yàn),分析電動(dòng)車振動(dòng)噪聲特性,為下一步電動(dòng)車振動(dòng)噪聲的改進(jìn)提供依據(jù)。

2.2 傳感器的布置位置

試驗(yàn)儀器包括比利時(shí)LMS數(shù)據(jù)采集前端、PCB振動(dòng)加速度傳感器、B&K聲學(xué)麥克、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等。電動(dòng)車的車內(nèi)噪聲和振動(dòng)主要來自路面激勵(lì)、電機(jī)激勵(lì)和后橋齒輪嚙合沖擊激勵(lì),車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)主要是駕駛員和后排座椅位置的振動(dòng)噪聲。表1為傳感器布置位置。

圖2是聲學(xué)麥克的布置位置,根據(jù)《GBT 18697—2002聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》,在駕駛員和后排座椅分別布置麥克,采集車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)。圖3是駕駛員和后排座椅位置的坐墊傳感器,采集座椅位置的振動(dòng)加速度信號(hào)。圖4是LMS數(shù)據(jù)采集前端,一共40個(gè)通道。

表1 傳感器布置位置Table1 Positions of sensors

圖2 聲學(xué)麥克的布置位置Fig.2 Positions of acoustic sensors

圖3 坐墊傳感器Fig.3 Vibration sensors for cushions

圖4 LMS數(shù)據(jù)采集前端Fig.4 Data acquisition front-end of LMS

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)場地為安徽省定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場,路面為符合GB 7031規(guī)定的B級(jí)路面。試驗(yàn)內(nèi)容如下:

(1)偏頻試驗(yàn)。

(2)勻速工況:車輛以40、50、60、70、80、90、100 km/h的車速勻速行駛,采集整車的振動(dòng)噪聲信號(hào),信號(hào)采集時(shí)間為20 s。

(3)加速工況:車輛從靜止開始急加速(油門踩到底)到最高車速(100 km/h),采集加速過程整車的振動(dòng)噪聲信號(hào)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 偏頻試驗(yàn)

偏頻是整車性能的一個(gè)重要參數(shù),對(duì)分析懸架傳來的路面激勵(lì)有重要作用。若要準(zhǔn)確測得汽車前(后)懸架的偏頻,需要鎖止后(前)懸架的彈性元件和非簧載質(zhì)量,避免前、后懸架的耦合。但是,與簧載質(zhì)量相比,非簧載質(zhì)量較小,并且大部分汽車的懸掛質(zhì)量分配系數(shù)為0.8～1.2,可以認(rèn)為前、后懸架簧上質(zhì)量在垂向的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的[13]。結(jié)合試驗(yàn)場地的條件,采用如下試驗(yàn)方法對(duì)整車進(jìn)行偏頻試驗(yàn):如圖5所示,試驗(yàn)時(shí),將汽車的前輪(后輪)行駛到梯形硬木板凸塊上并停住,用人力將汽車前輪從凸塊上推下,采集簧上和簧下質(zhì)量的振動(dòng)曲線。

圖5 偏頻試驗(yàn)Fig.5 Partial frequency test

前、后懸架偏頻結(jié)果如表2所示,對(duì)于簧上質(zhì)量的偏頻,前懸架是雙橫臂獨(dú)立懸架,偏頻較小;后懸架是整體式車橋,采用單級(jí)剛度的多片鋼板彈簧結(jié)構(gòu),偏頻較大。

表2 偏頻結(jié)果(空載)Table 2 Partial frequency results

3.2 勻速行駛工況

3.2.1 駕駛員座椅振動(dòng)

圖6 駕駛員座椅z向振動(dòng)頻譜圖Fig.6 Vibration pattern of driver seat in z direction

圖6是駕駛員座椅導(dǎo)軌振動(dòng)的頻譜圖,其中g(shù)＝9.8 m2/s,座椅振動(dòng)主要是懸架傳來的低頻振動(dòng)。在所有車速下,都存在1.7 Hz和17 Hz兩個(gè)最大的峰值,分別對(duì)應(yīng)前懸架簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量偏頻;500 Hz以上的振動(dòng)幅值很小,可以忽略。因此,車輛勻速行駛時(shí)車內(nèi)座椅振動(dòng)主要是懸架傳來的路面激勵(lì)。

3.2.2 駕駛員位置噪聲

從圖7可知,隨著車速的增加,車內(nèi)噪聲值逐漸變大,但是噪聲主要集中在300 Hz以內(nèi)的中低頻,電機(jī)的階次噪聲不明顯。

圖7 駕駛員座椅位置噪聲頻譜圖Fig.7 Noise pattern in driver seat

3.3 勻加速行駛工況

3.3.1 電機(jī)激勵(lì)分析

永磁同步電機(jī)具有大扭矩、體積小等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用在電動(dòng)車上。本文所研究的電動(dòng)車永磁同步電機(jī)參數(shù)如下:峰值功率為100 k W;最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min;峰值轉(zhuǎn)矩為1000 N·m;轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為4;定子開槽數(shù)為48;逆變器開關(guān)頻率為4000 Hz。

車用永磁同步電機(jī)在變頻器供電條件下,輸入的電壓或電流不是理想的正弦波,而是一系列等幅不等寬的電壓或電流脈沖,對(duì)這些脈沖進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解,可以得到一系列的時(shí)間諧波[14-17],使電機(jī)中產(chǎn)生較大的電磁力波,進(jìn)而引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲的增大。在車輛加速時(shí),電機(jī)的振動(dòng)噪聲尤為明顯。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)方程為[18-20]:

式中:P為極對(duì)數(shù);ψ為定子繞組磁鏈;i d和i q分別為d軸和q軸電流;L d和L q分別為d軸和q軸電感;θ為主磁極與相電流的夾角。

對(duì)于磁極對(duì)數(shù)為P的永磁同步電機(jī),電源頻率fo＝n P/60,其中n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從式(1)可以看出,轉(zhuǎn)矩中存在電流基頻成分,以及基頻的6i倍諧波成分[20]。

圖8為電機(jī)近場噪聲的階次追蹤圖,以電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速,則電流基頻fo＝np/60為4階,基頻的6i倍諧波分別為24階、48階、72階、96階…從圖8可以看出,在3000 Hz以內(nèi),電機(jī)近場噪聲主要為24階、48階、96階,分別對(duì)應(yīng)電流基頻的6倍、12倍和24倍。

圖8 電機(jī)近場噪聲階次追蹤圖Fig.8 Order tracking of motor near-field noise

為了分析各個(gè)階次噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量,如圖9所示,對(duì)圖8的噪聲進(jìn)行階次切片分析?？梢钥闯?電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000 r/min以內(nèi)時(shí),各個(gè)階次噪聲相差不大;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1000 r/min后,電機(jī)48階噪聲最大,并且隨著轉(zhuǎn)速的增加,48階噪聲和總噪聲的差值逐漸縮小,說明各階次噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量越來越大。

圖9 電機(jī)噪聲的階次切片圖Fig.9 Order slice plot of motor noise

圖8中,在逆變器開關(guān)頻率4000 Hz和8000 Hz附近,存在許多“煙花狀”的諧波激勵(lì),這也是電動(dòng)車和內(nèi)燃機(jī)汽車噪聲階次追蹤圖的最大區(qū)別。這是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)是由逆變器提供三向交流電,由于電流調(diào)制作用,在定子電流中會(huì)存在一系列載波頻率附近的高次諧波成分,頻率為[8,21]:

式中:n1和n2為正整數(shù);fT為變頻器的開關(guān)頻率。

圖10為電機(jī)高頻噪聲的階次追蹤圖。在4000 Hz附近,電流的3次和5次諧波成分較大;在8000 Hz附近,電流的2次、4次和6次諧波成分較明顯。

圖10 電機(jī)高頻噪聲Fig.10 High-frequency noise of motor

綜上分析,可以總結(jié)出永磁同步電機(jī)主要的激勵(lì)頻率如下:

中低頻:fn＝6ifo,i＝1,2,4;

高頻:fn＝n1fT±n2fo;

n1＝1時(shí),n2＝3,5;n1＝2時(shí),n2＝2,4,6。

3.3.2 座椅振動(dòng)響應(yīng)

圖11為駕駛員座椅振動(dòng)的階次追蹤圖,可以看出電機(jī)的8階、12階、24階激勵(lì)比較明顯。為了對(duì)比勻速和加速時(shí)電機(jī)激勵(lì)對(duì)駕駛員座椅振動(dòng)的影響,對(duì)階次追蹤圖按速度切片。由于篇幅限制,只分析車速為80 km/h時(shí)兩者的差異。

從圖12可以看出,加速和勻速時(shí)駕駛員座椅振動(dòng)的頻譜圖相差不大,駕駛員座椅的振動(dòng)主要來自于低頻的路面激勵(lì),主要集中在60 Hz以內(nèi)。

圖11 駕駛員座椅振動(dòng)的階次追蹤圖(z向)Fig.11 Order tracking of vibration in driver seat

圖12 加速和勻速時(shí)駕駛員座椅振動(dòng)(80 km/h)Fig.12 Vibration in driver seat in accelerating and uniform speed under 80 km/h

3.3.3 車內(nèi)噪聲分析

圖13 駕駛員位置噪聲階次追蹤圖Fig.13 Order tracking of vibration in driver seat

從圖13(a)可知,在2000 Hz以內(nèi),存在9階、18階、24階、48階噪聲。其中,9階是后橋主減速器齒輪的嚙合噪聲,因?yàn)楹髽蛑鳒p速器的主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)為9,傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,就會(huì)產(chǎn)生9次嚙合沖擊,18階是齒頻的二次諧波。24階和48階是電機(jī)的電磁噪聲,分別為電流基頻的6倍和12倍。

從圖13(b)可以看出,在高頻只存在4000 Hz附近的電磁噪聲。與圖8相比,8000 Hz附近的電磁噪聲消失。這是由于車身的密封作用,高頻噪聲不能傳到車內(nèi)。高次諧波成分為電流基頻的3倍,頻率f＝4000±3fo。

后橋主減速器齒輪參數(shù)如下:主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)分別為9和44;傳動(dòng)比為4.889。

4 結(jié) 論

(1)電動(dòng)客車勻速行駛時(shí),車內(nèi)座椅的振動(dòng)主要是由懸架傳來的路面激勵(lì),頻率較低,振動(dòng)峰值處的頻率基本與懸架的偏頻重合。

(2)與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)不同,永磁同步電機(jī)噪聲的階次追蹤圖存在“煙花狀”高頻諧波激勵(lì),和變頻器的開關(guān)頻率有關(guān),諧波頻率為fn＝n1fT±n2fo,n1＝1時(shí),n2＝3,5;n1＝2時(shí),n2＝2,4,6。

(3)加速行駛時(shí),由于車身的屏蔽和密封作用,電機(jī)高頻噪聲對(duì)車內(nèi)影響較小,車內(nèi)4000 Hz附近的諧波激勵(lì)頻率f＝4000±3fo。

(4)電機(jī)對(duì)車外加速噪聲影響較大,頻率高,主觀感受較差,可以提高電機(jī)的開關(guān)頻率,降低開關(guān)頻率諧波噪聲。

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