純電動汽車常見噪聲振動問題現象描述及優化方法

朱建　鄭濤　呂運川　劉超

摘 要：測試分析能快速識別純電動車噪聲振動問題特性，并得以工程優化驗證，從而提高整車NVH舒適性。文章以某純電動汽車為例，講述了多種常見NVH問題的測試分析及優化控制，問題包含整車坡道蠕行轟鳴、整車起步抖動、減速能量回收電機嘯叫、全油門加速工況減速器嘯叫、真空泵噪聲、空調壓縮機噪聲、電子冷卻水泵噪聲、空調水泵噪聲、以及懸置隔振和共振帶等，旨為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。關鍵詞：純電動汽車;噪聲振動;測試分析;優化控制;嘯叫中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）01-214-07

Abstract： Testing analysis can quickly identify the noise and vibration problem characteristics of electric vehicle， then can be verified by engineering optimization， so as to improve the vehicle NVH performance. This article takes a pure electric vehicle as an example， and describes the testing analysis and optimization of a variety of common NVH problems， including ramp creeping noise， starting vibration， deceleration energy recovery motor noise， wild open throttle acceleration condition decelerator noise， vacuum pump noise， air conditioning compressor noise， electronic cooling water pump noise， air conditioning water pump noise， as well as EPT mount isolation rate and resonance band. It provides reference for NVH performance development and optimization of electric vehicle.Keywords： Electric vehicle; Noise and vibration; Testing analysis; Optimization control; WhineCLC NO.： U469.7? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-214-07

前言

隨著世界環境問題嚴峻化、國內汽車排放標準嚴格化，純電動汽車作為一種使用電能作為驅動能源的現代交通工具，將作為全球汽車工業當前和未來發展的重點。隨著電動汽車技術的不斷發展，噪聲振動性能越來越備受關注，相比于普通燃油車，客戶對純電動汽車噪聲振動性能有了更高的期望與要求，成為影響電動汽車品牌的一項重要指標。本文以某純電動汽車為例，該純電動車搭載的電驅動系統包含永磁同步電機[3]、固定速比減速器以及三合一控制器。整車布置方式為前置前驅，驅動電機轉子為V型8磁極，定子為48槽單層繞組結構;減速器為單速比7.82，一級減速齒輪副齒數比Z1/Z2=27/52，主減齒輪副齒數比Z3/Z4=17/69。本文講述了該電動車開發過程中出現的各類NVH問題及優化，包含整車坡道蠕行轟鳴及抖動、整車起步抖動、減速能量回收電機階次嘯叫、全油門加速減速器階次嘯叫、真空泵噪聲、空調壓縮機噪聲、電子冷卻水泵噪聲、空調輔熱水泵噪聲、懸置隔振和輪胎空腔共振帶等，旨在為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。

1 電動車NVH問題測試分析與優化

1.1 坡道蠕行轟鳴及抖動

整車在坡道蠕行工況，保持電機轉速約為300rpm（轉每分鐘），主觀評價車內有持續低頻轟鳴聲并伴隨整車抖動現象。測試車內噪聲隨時間彩圖如圖1優化前所示，在3-4.7s間為坡道蠕行工況，車內噪聲在120Hz左右呈連續的紅色轟鳴帶。此問題原因為整車在坡道低速蠕行時，電機轉速低且扭矩波動[1-2]較大，從而造成較大的電機24階激勵，通過后懸置傳遞至車內，引起車內120Hz轟鳴聲及整車抖動，振動噪聲傳遞路徑如圖1所示。

優化電機轉子沖片結構（轉子V型磁鋼夾角），從而改變電機轉子極弧系數、轉子磁場分布、勵磁磁勢分布曲線形狀、空氣氣隙均勻程度以及磁路飽和程度等，從而達到優化降低電機扭矩波動、脈動占比及諧波失真率THD。電機仿真結果如表1所示。

經整車對比驗證，優化轉子沖片磁鋼夾角后，整車坡道起步及坡道蠕行工況車內120Hz轟鳴聲明顯改善，結果如圖2優化后。

1.2 整車起步抖動

整車由靜止狀態起步行駛，主觀評價整車有明顯間歇性抖動現象。通過對整車CAN信號的讀取與分析，電機轉速曲線在0-500rpm間有較大轉速波動（如圖3優化前，紅色曲線）。電機轉速波動產生激勵力通過懸置傳遞到車身，引起整車起步抖動問題。對該電機低轉速0-500rpm區間增加扭矩補償控制策略：

（1）電機低速扭矩補償系數（2.5）;

（2）電機轉速控制濾波補償系數（10）。

經整車對比驗證，電機增加低轉速扭矩補償后（見圖2優化后，黃色曲線），整車起步電機低轉速波動明顯降低（見圖2優化后，紅色曲線），主觀評價整車起步抖動亦明顯改善。

1.3 減速能量回收電機階次嘯叫

整車在開啟減速能量回收工況，電機轉速由3500rpm降到1300rpm期間，主觀評價車內有明顯高頻嘯叫聲，關閉能量回收功能則嘯叫聲消除，故該嘯叫聲與能量回收時電機反拖發電相關。

通過測試彩圖分析，減速能量回收工況車內噪聲24階、48階明顯較大（見圖4）。該樣車電機轉子為8磁極，定子為48槽單層繞組結構，通過聲音濾波回放及階次相關性分析，確診該嘯叫聲主要由電機減速能量回收反向磁勵產生。

優化電機定子繞組形式為雙繞組（見圖5）。雙繞組電機能改善電機感應電動勢和磁動勢的波形。在能量回收過程中能有效的減小電機扭矩波動，減小基頻及其他諧頻階次振動噪聲。

經整車對比驗證，定子雙繞組電機能有效降低在減速能量回收工況因電機反向磁勵引起的車內中高頻階次嘯叫聲。優化對比結果見圖6-7。

1.4 加速工況減速器嘯叫

整車在全油門加速工況（0-3000rpm），主觀評價車內有嚴重的嘯叫高頻聲。通過測試彩圖分析與濾波回放，車內嘯叫聲階次主要為8.83階、17.66階、35.3階、27階、54階。該樣車減速器為單速比7.82，一級減速齒輪副齒數比Z1/Z2=27/52，主減齒輪副齒數比Z3/Z4=17/69，故其一階減速齒輪階次基頻為27階，二階諧頻為54階;主減齒輪副基頻階次為8.83階、二階諧頻為17.66階、四階諧頻為35.3階，加速嘯叫階次與減速器齒輪階次基頻及諧頻對應。整車全油門加速時，電機扭矩峰值輸出，減速器齒輪受載荷力大，齒輪偏載嚙合不平穩，引起減速器傳遞誤差大，從而產生明顯的加速嘯叫噪聲。

減速器嘯叫聲[4-7]原因主要為：

（1）齒輪受力不均偏載或突變;

（2）齒輪嚙合進入與退出沖擊;

（3）齒面相對滑動及摩擦力變化;

（4）齒輪剛性變化和彈性變形導致載荷變化;

（5）齒輪誤差造成運轉不均。

對該樣車減速器進行臺架斑點試驗，結果顯示主減齒輪副及一級減速齒輪副均存在一定程度偏載現象，如圖9所示。

根據齒輪臺架斑點試驗結果進行齒輪微觀修形：

（1）一級減速主動齒輪齒頂修緣6-20μm;輸入主動齒輪螺旋角修形由12±5μm到17±5μm;正驅面螺旋角修形-15～-5μm;

（2）主減齒輪副齒寬+2mm，螺旋角修形-15～-5μm;

（3）主減齒輪副主動齒輪齒廓齒向修形10-20μm;

主動齒輪齒廓修形-5～0μm;

（4）輸入軸向間隙0～0.39mm優化為0～0.1mm。

優化后仿真齒輪傳遞誤差降低（見表2），齒輪臺架斑點驗證無明顯偏載現象，如圖10所示。

經整車測試驗證，減速器齒輪微觀修形優化后，加速車內減速器階次嘯叫聲有所改善，結果如圖11優化后。

1.5 真空泵噪聲

真空泵的作用是給制動助力系統提供真空。區別于傳動燃油車，純電動車因缺少發動機進氣系統支管提供的真空，故必須配置一個獨立工作電動真空泵。該電動車真空泵為旋葉式結構[8]，葉片數5片，布置于左前機艙縱梁內側，采用一級隔振設計，隔振橡膠邵氏硬度為60HA，隔振效果較差。當連續踩制動踏板時，真空泵持續運行5-7秒，工作轉速約為4400rpm，主觀評價車內噪聲真空泵大較大。通過測試分析車內真空泵噪聲主要貢獻頻率為葉頻367Hz及其諧頻（見圖13紅色曲線）。

對真空泵支架進行隔振優化，如圖12所示：

（1）降低真空泵橡膠軟墊硬度為45HA;

（2）真空泵一級隔振優化為二級隔振。

經整車測試驗證，車內真空泵噪聲單體運行噪聲總聲壓級由原35.4dB（A）降低為29.6dB（A），滿足目標總聲壓級≤33dB（A），葉頻噪聲均≤25dB（A），顯改善，結果對比見圖13。

真空泵布置應首選布置于動力總成上，經真空泵軟墊和懸置雙重隔振;其次布置于車身有較強動剛度的骨架梁上，盡量遠離駕駛艙，且有足夠的隔振設計。

1.6 空調壓縮機噪聲

空調壓縮機是給空調系統冷媒循環提供驅動力的裝置。當車內空調開啟時，空調壓縮機壓縮氣態冷媒為高溫液態，經冷凝器冷卻后通過膨脹閥氣化吸熱，降低蒸發器溫度，在鼓風機作用下為車內提供冷風。該樣車空調壓縮機為渦旋式電動壓縮機[3-4]，布置于驅動電機外側端蓋經懸置隔振。整車定置開啟空調工況，空調壓縮機轉速恒定為2500rpm，工作轉速較高且振動激勵較大，引起車內噪聲大及方向盤振動大。經測試主要貢獻階次為壓縮機基頻41.8Hz。（見表4和圖16優化前）。

整車定置車內空調壓縮機噪聲振動優化方向：

（1）優化控制面板，降低空調壓縮運行轉速;

（2）優化降低空調壓縮機單體運行振動噪聲;

空調壓縮機控制面板優化[9]。

對整車空調壓縮機進行1000-3000rpm轉速掃頻測試分析，結果見圖13-14。空調壓縮機在2100rpm時與低速檔冷卻風扇2100rpm偶合，在2000rpm時與方向盤橫向和垂向模態分別為32.6Hz和33.5Hz偶合產生共振拍頻。故優化空調面板控制策略，壓縮機轉速根據車內溫度自適應調節1500-2000rpm，車內溫度穩定后工作轉速約1800rpm，避開了方向盤模態和冷卻風扇基頻。

空調壓縮機本體優化：

對空調壓縮機單體進行2500rpm定轉速臺架測試分析，其近場噪聲及殼體振動相對較大，故而在空調壓縮機結構上進行優化[10]：

（1）高壓流道結構優化;

（2）電機轉子動平衡優化;

（3）電機PWM電流正弦波形優化。

空調壓縮機優化后進行臺架測試驗證，空調壓縮機殼體振動及近場噪聲有明顯改善，結果對比見表3。

經整車測試驗證，同時優化空調壓縮機及控制面板后，整車定置開空調工況，車內噪聲及方向盤振動明顯改善，結果見表4及圖15優化后。

空調壓縮機應布置于動總上經懸置隔振，壓縮機管路與車身接附點應有隔振設計，壓縮機高壓出管與低壓進管應設計足夠長度軟管以利于振動解耦衰減;空調壓縮機支架應避免懸臂結構，盡量提升支架模態頻率;在滿足冷卻要求前提下，盡量降低壓縮機工作轉速，且要與冷卻風扇轉速和方向盤固有頻率避頻。

1.7 電子冷卻水泵噪聲

電子冷卻水泵作用是驅動水循環系統為電機及控制器提供冷卻，當整車在進入動力輸出工況時（即D擋/R擋），電子冷卻水泵開啟運行。該樣車電子冷卻水泵布置于動總減速器上，經水泵U型橡膠支架及懸置二級隔振，但水管管夾直接固定于車身前橫梁，且管路過盈卡接于前端框架。整車在定置狀態P擋/N擋切換到D擋/R擋時，車內背景噪聲極低，主觀評價電子冷卻水泵啟動噪聲相對明顯，易被客戶感知。經測試分析，電子冷卻水泵噪聲主要貢獻頻率為基頻78Hz、諧頻310Hz、387Hz、464Hz、542Hz，見圖17紅色曲線，通過管路由前端框架和車身前橫梁管夾傳遞到車內。

對水管管路隔振進行優化，如圖17所示：

（1）管夾1優化為隔振管夾;

（2）前端框架與水管之間卡接增加隔振墊。

經整車測試驗證，優化后車內電子冷卻水泵單體運行諧頻噪聲大幅降低，總聲壓級由原狀態29.1 dB（A）降低到25.0 dB（A），改善明顯，見圖18。

電子冷卻水泵首選應布置于動力總成上經懸置隔振，其次布置于車身骨架梁上，但須有足夠隔振設計，管路應盡量避免連接在車身結構上，管夾應有隔振設計。

1.8 空調輔熱水泵噪聲

空調輔熱水泵作用是為空調輔熱系統水循環提供動力。當車內暖風輔熱開啟時，PTC加熱提升水溫，空調輔熱水泵運行驅動水路循環，通過蒸發器給車內供暖。該樣車空調輔熱系統采用單水泵驅動，水泵單體噪聲振動較大，且布置于前端框架右側梁上，隔振設計不足。主觀評價整車定置開啟暖風輔熱工況車內噪聲大。經測試分析，車內噪聲主要貢獻階次為電子冷卻水泵基頻及諧頻，見圖20紅色曲線。

對空調輔熱水泵結構及隔振優化，見圖19：

（1）降低泵體振動及輻射噪聲;

（2）優化水泵與車身的隔振。

經整車測試驗證，優化水泵及隔振支架對車內因水泵激勵引起的噪聲有明顯改善。車內噪聲輔熱水泵基頻和諧頻大幅降低，總聲壓級由原狀態50.7 dB（A）降低到38.5 dB（A），明顯改善，見圖20。

空調輔熱水泵同電子冷卻水泵首選應布置于動力總成上經懸置隔振，其次布置于車身動剛度較大骨架梁上，但須有足夠隔振設計，另外選擇激勵較小的水泵能有效提升其NVH性能。

1.9 懸置隔振

懸置是用于支撐電動汽車動力總成件（EPT）并起到減少和控制動總激勵傳遞的作用。懸置剛度大小將直接影響懸置隔振效果，從而影響車內噪聲振動。該樣車懸置系統為左、右、后三點式布置，且主方向設計剛度較高隔振不足，電機、減速器、空調壓縮機等激勵通過懸置傳遞到車身。該樣車主觀評價加速工況車內噪聲振動大。經測試分析，加速車內噪聲8.83階、17.66階、26.5階等階次能量較大，見圖21優化前。結合階次分析，減速器階次激勵通過懸置傳遞車身，因懸置剛度大隔振不足，引起加速車內噪聲振動大。

在保證疲勞耐久及可靠性前提下，適當優化降低懸置主方向剛度以提升隔振性能，從而達到降低車內噪聲的目的，懸置剛度優化見表5。

經整車測試驗證，優化降低懸置橡膠剛度后，加速工況車內減速器階次噪聲8.83階、17.66階、26.5階均有較為一定程度降低改善，見圖21。

電動汽車加速電機扭矩較大，過低的后懸置剛度在急加速/急減速工況，易造成后懸置主簧壓死甚至撞擊產生抖動或異響問題;懸置支架應設計有足夠高模態以降低共振風險;懸置襯套設計更大尺寸以獲得更小的動靜比;懸置車身安裝點動剛度應足夠高。

1.10 輪胎空腔模態共振

通過測試分析，在加速工況車內噪聲210Hz存在明顯共振帶，經相關性分析為輪胎空腔模態共振[11]，再經底盤懸架傳遞車身引起車內共振帶噪聲，見圖23優化前。

在輪胎內壁一圈粘貼吸音棉填充輪胎空腔，可改變輪胎空腔模態，如圖22所示。

經整車測試驗證，輪胎填充吸音棉對加速車內210Hz共振帶有明顯改善，結果見圖23。

2 結束語

本文概述了純電動汽車常見的一些NVH問題，包含坡道蠕行轟鳴、起步抖動、減速能量回收電機嘯叫、加速工況減速器嘯叫、真空泵噪聲、空調壓縮機噪聲、電子冷卻水泵噪聲、輔熱水泵噪聲、以及懸置隔振和輪胎空腔共振帶等。通過測試分析，描述了各個問題的噪聲振動頻譜特征，以及相關優化控制策略，旨為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。

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