黃金旺，梁 卓，李海平，李奕慈，黃元毅

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，柳州 545007)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)的發(fā)展，乘用車的功能型性能工藝的日趨成熟，其舒適性在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中占據(jù)了越來(lái)越重要的位置。汽車NVH性能作為車輛舒適性的重要指標(biāo)之一，逐漸成為汽車廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)的重要標(biāo)的。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車在中、低速行駛時(shí)的主要噪聲源之一，在怠速等工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲并不顯著，但發(fā)電機(jī)如果匹配不好，會(huì)發(fā)出某些高頻的電磁嘯叫，這對(duì)汽車的乘坐舒適性有很大影響。

車用發(fā)電機(jī)對(duì)汽車舒適性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)某車型的爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)載時(shí)爪極發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生6倍數(shù)階次的電磁噪聲，且在中低轉(zhuǎn)速以36階次電磁噪聲為主。文獻(xiàn)[2]則采用不同的勵(lì)磁方式對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)36階噪聲對(duì)發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)作用最大，且隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，隨著勵(lì)磁電壓的減小而降低。文獻(xiàn)[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，24階次和36階次是電磁噪聲的主要成分。爪極發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電磁噪聲控制，可以通過(guò)錯(cuò)開(kāi)電磁力頻率和結(jié)構(gòu)頻率一致時(shí)的共振，或削弱電磁力高階次頻率峰值。文獻(xiàn)[4]采用階次分析方法分析發(fā)現(xiàn)低速時(shí)36階次的電磁噪聲最為明顯。文獻(xiàn)[5]通過(guò)增加端蓋結(jié)構(gòu)剛度以提高發(fā)電機(jī)的固有頻率使電磁噪聲有所降低。

邊頻現(xiàn)象是一種振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象，多見(jiàn)于齒輪嚙合當(dāng)中，當(dāng)齒輪產(chǎn)生周期性的脈動(dòng)沖擊力時(shí)，在頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)以齒輪的嚙合頻率為中心、兩側(cè)間隔距離一致的調(diào)制邊頻帶[6]。與齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)邊頻的產(chǎn)生類似，車用發(fā)電機(jī)也存在邊頻現(xiàn)象。在車用發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，傳遞扭矩的波動(dòng)會(huì)引起噪聲和振動(dòng)信號(hào)的幅值調(diào)制，角速度的不均勻則會(huì)引起頻率調(diào)制。在這些因素的影響下，車用發(fā)電機(jī)會(huì)以激勵(lì)力頻率為中心，在左右間隔為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)較高的峰值。發(fā)電機(jī)邊頻帶的存在，易引起發(fā)電機(jī)本體和其他部件的固有頻率相近時(shí)產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生噪聲，影響乘坐舒適性。

引發(fā)發(fā)電機(jī)邊頻現(xiàn)象的因素有很多。一方面發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)帶輪進(jìn)行發(fā)電，其波動(dòng)的曲軸轉(zhuǎn)速導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)可以引發(fā)邊頻現(xiàn)象；另一方面，在發(fā)電機(jī)發(fā)電過(guò)程中，以正弦曲線的形式出現(xiàn)的導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生電流，使得激勵(lì)力也是呈正弦的形式出現(xiàn)，此時(shí)激勵(lì)力的波動(dòng)也會(huì)引發(fā)邊頻現(xiàn)象；此外，加工和裝配中的不均衡，使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)軸圓周方向跳動(dòng)，更進(jìn)一步加深了發(fā)電機(jī)的邊頻效應(yīng)。

邊頻現(xiàn)象具有特殊性，目前業(yè)界對(duì)于發(fā)電機(jī)邊頻引起共振從而引發(fā)嘯叫的研究較少。文獻(xiàn)[7]對(duì)齒輪系統(tǒng)的邊頻帶，從理論上分析了單一調(diào)幅、單一調(diào)頻和調(diào)幅調(diào)頻共同作用下調(diào)制信號(hào)的邊頻帶分布特點(diǎn)，給邊頻帶的診斷提供了參考。文獻(xiàn)[8]在進(jìn)行齒輪診斷時(shí)，發(fā)現(xiàn)邊頻帶是以齒輪的嚙合頻率為中心, 以軸的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。

總之，這些研究對(duì)象大多是普通電機(jī)，且局限于傳統(tǒng)的階次激勵(lì)力的研究，對(duì)于一些調(diào)制的現(xiàn)象，尤其是邊頻引起的嘯叫較為鮮見(jiàn)。

1 發(fā)電機(jī)電磁力邊頻嘯叫產(chǎn)生機(jī)理

1.1 汽車發(fā)電機(jī)電磁激勵(lì)力

汽車上常用的發(fā)電機(jī)是有刷硅整流發(fā)電機(jī)，主要由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋及其附件組成[9]，如圖1所示。其工作原理是：通過(guò)車載電源給轉(zhuǎn)子供電，使得轉(zhuǎn)子的6個(gè)爪極的外圍之間形成12根磁感線，每單相一圈占12個(gè)定子槽即12根軸向?qū)Ь€，導(dǎo)線每切割一次磁感線產(chǎn)生一次交變電流，即每單相每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生12次的交變電流，而三相總共有36個(gè)定子槽，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，總共產(chǎn)生36次交變電流。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子的36階是主要的電磁激勵(lì)力階次。電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中的電磁力波作用在定子齒尖上，使電機(jī)發(fā)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而向外輻射電磁噪聲。它涉及到電磁學(xué)、振動(dòng)學(xué)和聲學(xué)等多個(gè)物理場(chǎng)。

圖1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在汽車發(fā)電機(jī)中，電磁力主要分為徑向力和切向力。徑向力的不平衡會(huì)導(dǎo)致鐵心產(chǎn)生徑向振動(dòng)變形；切向力使得導(dǎo)線產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶反向的扭矩，使定子根部局部變形。一般來(lái)說(shuō)，徑向力導(dǎo)致的振動(dòng)是電磁噪聲的主要來(lái)源[10]。當(dāng)電磁力頻率與其他部件的固有頻率相近時(shí)就會(huì)引起較大的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。根據(jù)畢奧薩伐電磁力定律，氣隙磁場(chǎng)單位面積的徑向電磁力[11]：

Pt=B2(θ,t)/(2μ0)

(1)

式中：θ是機(jī)械角位移；B是氣隙磁密；μ0是真空磁導(dǎo)率。定子和轉(zhuǎn)子繞組中的主波磁勢(shì)和各次諧波相互作用會(huì)產(chǎn)生一系列的力波，其中主波磁場(chǎng)的徑向力波可表示：

Pr1=P0+P1

(2)

式中：P0=B2/(4μ0)，P0為徑向力均勻作用于圓周的作用力；P1是徑向力波的交變力。

P1=P0cos(2pθ-2ω1t-2θ0)

(3)

式中：ω1是主波角速度；p是主波極對(duì)數(shù)；θ0是初相角?？梢?jiàn)，對(duì)于某個(gè)線束來(lái)說(shuō)，徑向力是一個(gè)交變力[11]，會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性的影響。

1.2 激勵(lì)力調(diào)制

1.2.1 幅值調(diào)制

假設(shè)發(fā)電機(jī)激勵(lì)力頻率作為載波信號(hào)：

g(t)=Acos(2πfct+φ)

(4)

作為調(diào)制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻：

e(t)=1+βcos(2πfet)

(5)

利用積化和差公式展開(kāi)已調(diào)信號(hào)：

x(t)=g(t)·e(t)=

A[1+βcos(2πfet)]cos(2πfct+φ)=

(6)

式中：A是載波信號(hào)的幅值；β是幅值調(diào)制指數(shù)；fc是載波頻率(產(chǎn)生電流的電磁激勵(lì)力頻率)；fe是調(diào)制信號(hào)的頻率(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率)；φ是初相角。從式(6)可以看出，已調(diào)信號(hào)包括三個(gè)正弦分量：一個(gè)是原始的正弦載波信號(hào)，另外兩個(gè)分別是頻率成分為(fc+fe)和(fc-fe)的正弦信號(hào)。這兩個(gè)正弦分量均勻分布在載波信號(hào)的兩側(cè)，稱為上、下邊頻帶。

1.2.2 頻率調(diào)制

頻率調(diào)制是指載波信號(hào)受到調(diào)制而形成的變頻信號(hào)，表現(xiàn)為時(shí)域波形疏密的變化。對(duì)于正弦信號(hào)Asin(2πft+φ)，其相位：Ф(t)=2πft+φ， 假設(shè)齒輪嚙合的載波信號(hào)：

g(t)=Acos(2πfct+φ)

(7)

作為調(diào)制信號(hào)的齒輪的旋轉(zhuǎn)信號(hào)：

e(t)=βcos(2πfet)

(8)

則頻率調(diào)制信號(hào)可描述成：

x(t)=Acos[2πfct+βcos(2πfet)+φ]

(9)

已調(diào)信號(hào)的相位Ф(t)=2πfct+βcos(2πfet)+φ，其頻率：

(10)

式中：βfe表明了頻率調(diào)制的頻率偏離范圍。A是載波信號(hào)的幅值；β是頻率調(diào)制指數(shù)；fc是載波頻率(電磁激勵(lì)力頻率)；fe是調(diào)制信號(hào)的頻率(發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)頻率)；φ是初相角。根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)展開(kāi)式，已調(diào)信號(hào)的頻譜圖中將出現(xiàn)無(wú)窮多對(duì)間隔為調(diào)制頻率fe的邊頻帶，越往中心頻率偏離的邊頻帶的幅值越來(lái)越小。第一類貝塞爾展開(kāi)式：

sin{2π[fc-2mfe]t+φ}}}

(11)

式中：Jn是以β為自變量的第n階貝塞爾系數(shù)，n=0,1,2,3,…。從上式可以看出，除了載波頻率fc之外，頻譜圖中將出現(xiàn)無(wú)窮多對(duì)間隔為調(diào)制頻率fe的邊頻帶。

1.2.3 發(fā)電機(jī)的幅值調(diào)制和頻率調(diào)制

在發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)軸的加工和裝配引起的圓跳動(dòng)以及電磁力的波動(dòng)通常會(huì)引起幅值調(diào)制[12]；轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)通常引起頻率調(diào)制。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將同時(shí)存在幅值調(diào)制與頻率調(diào)制。雖然電磁激勵(lì)力頻率是工程師最關(guān)注的，但其邊頻有時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)一定的影響，在做NVH分析時(shí)同樣不容忽視。

2 問(wèn)題描述

某款使用有刷硅整流發(fā)電機(jī)的車型，在怠速開(kāi)空調(diào)的工況下，人耳能感受到嘯叫聲。圖2為目標(biāo)車與其他競(jìng)標(biāo)車頻域聲壓級(jí)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，其中紅色曲線表示目標(biāo)車，在1 220 Hz附近出現(xiàn)了較大的峰值。

圖2 聲壓級(jí)對(duì)比

3 原因分析

在發(fā)電機(jī)附近布置麥克風(fēng)，同時(shí)在發(fā)電機(jī)殼體上面粘貼振動(dòng)傳感器，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)近場(chǎng)噪聲也存在1 220 Hz的嘯叫，并且發(fā)電機(jī)殼體振動(dòng)彩圖在1 220 Hz存在峰值，其附近有幾條間隔相等的頻帶，如圖3所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)比，推導(dǎo)得出怠速開(kāi)空調(diào)工況下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻為34 Hz，而發(fā)電機(jī)36階頻率是1 254 Hz，并不是嘯叫聲1 220 Hz的中心頻率。但是1 254 Hz與1 220 Hz的差值剛好等于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻，初步懷疑1 220 Hz的嘯叫是由發(fā)電機(jī)36階左邊的邊頻引起的。

圖3 1 220 Hz附近的噪聲與振動(dòng)

對(duì)發(fā)電機(jī)的傳遞路徑進(jìn)行分析，在左、右、后懸置的主被動(dòng)段粘貼振動(dòng)傳感器，發(fā)現(xiàn)1 220 Hz的振動(dòng)主要通過(guò)右懸置Z向傳遞到車身，如圖4所示。

圖4 左、右、后懸置振動(dòng)曲線

對(duì)目標(biāo)車進(jìn)行加速掃略實(shí)驗(yàn)，發(fā)電機(jī)本體加速度在1 220 Hz附近無(wú)共振帶，嘯叫聲不是電機(jī)殼體模態(tài)引起的，如圖5所示。

圖5 掃略試驗(yàn)瀑布圖

由于響應(yīng)等于激勵(lì)源與傳遞函數(shù)的乘積，發(fā)生在1 220 Hz嘯叫問(wèn)題的解決，需要確定響應(yīng)主要是由路徑貢獻(xiàn)的還是激勵(lì)源貢獻(xiàn)的。如果改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，嘯叫頻率隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，那么證明主要是發(fā)電機(jī)激勵(lì)起來(lái)的，與傳遞路徑關(guān)系不大。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 000 r/min，按照推算，發(fā)電機(jī)的激勵(lì)力頻率為1 476 Hz，然而在1 476 Hz處卻沒(méi)有明顯的峰值，如圖6所示。同理，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 200 r/min、1 500 r/min時(shí)也同樣沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)電機(jī)激勵(lì)力相應(yīng)的峰值，證明主要與傳遞路徑有關(guān)。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的彩圖

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)支架處正好是1 221 Hz的模態(tài)頻率。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)支架模態(tài)

因此，1 220 Hz處的嘯叫，不僅是發(fā)電機(jī)的激勵(lì)力頻率及其邊頻引起的，也是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)支架處存在1 221 Hz的模態(tài)，這一階模態(tài)與發(fā)電機(jī)激勵(lì)力的左邊頻1 220 Hz接近，從而引發(fā)共振，進(jìn)而引起嘯叫。

4 解決方案及其效果

通過(guò)上述分析，該車嘯叫問(wèn)題是由發(fā)電機(jī)激勵(lì)力與發(fā)電機(jī)支架在1 220 Hz的模態(tài)共振引起的。本文通過(guò)改變激勵(lì)源的頻率進(jìn)行避頻優(yōu)化。如圖8所示，將發(fā)電機(jī)直徑52 mm的皮帶輪更換為直徑55 mm的皮帶輪，改變了電磁激勵(lì)力的頻率，其邊頻相應(yīng)改變，從而避開(kāi)了車身在1 220 Hz處的固有模態(tài)。根據(jù)產(chǎn)品工程師提供的參數(shù)，直徑55 mm的皮帶輪滿足供電需求。

圖8 更換發(fā)電機(jī)皮帶輪

更換皮帶輪后，發(fā)電機(jī)的中心頻率由1 254 Hz降到了1 180 Hz，發(fā)電機(jī)殼體振動(dòng)如圖9所示。

圖9 改進(jìn)前后發(fā)電機(jī)殼體振動(dòng)曲線

圖10 駕駛員右耳聲壓級(jí)曲線

從圖10的測(cè)試結(jié)果中可以明顯看到，在1 220 Hz處優(yōu)化方案聲壓下降12 dB(A)，總體聲壓級(jí)下降1.5 dB(A)；而且，在新的發(fā)電機(jī)激勵(lì)力中心頻率1 180 Hz處沒(méi)有出現(xiàn)較大的峰值。從聽(tīng)覺(jué)感受上，嘯叫聲消失，優(yōu)化效果明顯，實(shí)現(xiàn)了在滿足供電需求的情況下對(duì)嘯叫的控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了發(fā)電機(jī)激勵(lì)力邊頻的產(chǎn)生機(jī)理，并通過(guò)某車型的實(shí)際案例介紹了嘯叫現(xiàn)象的分析方法。根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，定位引起嘯叫的原因是由于發(fā)電機(jī)36階激勵(lì)力的中心頻率的邊頻與發(fā)電機(jī)支架模態(tài)發(fā)生共振。通過(guò)改變發(fā)電機(jī)皮帶輪的直徑，使激勵(lì)力的邊頻避開(kāi)支架模態(tài)，在保證了發(fā)電機(jī)供電需求的前提下，使得1 220 Hz處的聲壓下降12 dB(A)，總體聲壓級(jí)下降1.5 dB(A)，從而大幅改善了車輛的聲品質(zhì)。