電動汽車動力總成系統(tǒng)激勵源振動研究

權(quán)飛 朱克非 郭凱 仲秉夫

摘 要：隨著傳統(tǒng)的燃油車尾氣排放造成日趨嚴重的環(huán)境污染問題，環(huán)保清潔的新能源汽車將是未來汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。純電動汽車因為其低噪聲、零排放、結(jié)構(gòu)簡單的特點，發(fā)展前景很廣闊。但沒有了發(fā)動機的掩蔽效應，純電動汽車動力總成的NVH問題也成為各大整車廠關注的重點。本文基于純電動汽車的動力總成，以他的激勵源為研究對象，從電機、電控和減速器三個方向，對目前涉及到的純電動汽車動力總成零部件的NVH機理和優(yōu)化方法進行了研究。

關鍵詞：NVH;純電動汽車;動力總成;激勵源

1 引言

隨著新能源汽車驅(qū)動技術的進一步發(fā)展，大部分企業(yè)已經(jīng)從關注動力總成系統(tǒng)的功能逐漸轉(zhuǎn)移到性能上，其中就包括NVH性能。有統(tǒng)計結(jié)果顯示，整車約有1/3故障問題和車輛NVH問題有關系，其中動力總成的NVH性能更是首當其沖。相比傳統(tǒng)燃油車來講，純電動汽車沒有發(fā)動機背景噪聲的掩蓋，自身動力總成系統(tǒng)的NVH問題更容易暴露，因此其NVH設計是一個巨大的挑戰(zhàn)。由驅(qū)動電機、控制器及固定速比的減速器及差速器一體化設計組成的動力總成成為純電動汽車的3個主要激振源，改善動力總成的NVH特性將作為整車NVH性能設計的重要一環(huán)，對車輛的乘坐舒適性有著重要影響。

2 電機振動分析

電機的NVH問題主要來源于三個方向：電磁、機械以及氣動噪聲。其中氣動噪聲對于水冷電機一般可以忽略。機械振動主要與軸承和零部件裝配工藝相關，需要在制造階段通過把控零部件關鍵尺寸和裝配工藝水平加以改善。而電磁噪聲的表現(xiàn)均為隨轉(zhuǎn)速變化的階次嘯叫，辨識度較高，是消費者和整車廠的主要關注點。

2.1 電磁振動機理

引起電磁噪聲的電磁力，一方面有產(chǎn)生使電機（不）旋轉(zhuǎn)的切向力矩，即電磁轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩，另一方面有會引起定轉(zhuǎn)子變形和振動的徑向力，這兩個方向的力和力矩是電機的一個母體效應，只要電機發(fā)生旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，就會這兩個力（力矩），從而產(chǎn)生相應的電磁噪聲。

在這其中，最重要的就是徑向力波。電機內(nèi)部徑向電磁力密度fr可以表示為

fr=（B2r-B2t）≈B2t

式中Br、Bt—徑向、切向氣隙磁通密度;

μ0—空氣磁導率。

徑向電磁力在空間分布的花瓣個數(shù)，稱為徑向力的模數(shù)，它代表著徑向力在圓周上分布著幾個周期的正弦波。徑向力波的模數(shù)和定轉(zhuǎn)子極槽配合方案有關，一般為極數(shù)和槽數(shù)的最大公約數(shù)，另一方面，徑向力的模數(shù)越低，定子發(fā)生變形的節(jié)點的距離越遠，形變越大。基于以上公式，振動幅值與力波模數(shù)的四次方成反比，因此避免出現(xiàn)低模數(shù)的徑向力波是減低電磁振動主要方式。例如整數(shù)槽電機相對分數(shù)槽，徑向力波模數(shù)較大，所以一般整數(shù)槽電機相對分數(shù)槽電機來講，振動噪聲情況會更好。

2.2 電磁減振措施

要從電機本體結(jié)構(gòu)上來削弱電機的振動一般主要考慮兩方面的問題：一是減小永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，二是減小定轉(zhuǎn)子永磁體之間的徑向吸引力。

優(yōu)化永磁電機齒槽轉(zhuǎn)炬的方法一直是永磁電機研究方面的一個熱點，主要方法有：采用分數(shù)槽配合、定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極、優(yōu)化極弧系數(shù)、磁極分段優(yōu)化布置、不等齒靴寬度、磁極不對稱放置、增加輔助槽、優(yōu)化磁極形等。這些具體的削弱齒槽轉(zhuǎn)矩措施，在實際當中需要結(jié)合電機的基本尺寸，如磁鋼厚度、槽開口、氣隙長度等，進行多參數(shù)優(yōu)化設計，從而對電機的齒槽轉(zhuǎn)矩進行有效削弱。

減小徑向力引起的振動，一般主要從兩方面入手，一是提高定子結(jié)構(gòu)的剛度，和改變電機定子結(jié)構(gòu)的諧振頻率以避免和電磁力的頻率一致，但增加定子剛度需要增加材料用量，材料利用率會降低;二是優(yōu)化或減小徑向電磁力，減小電磁力最有效的方法就是增大電機氣隙長度，減小電機的磁負荷，但這樣做的負面效應也很明顯，會使得電機出力和反電勢等性能都有所將低，與之相比，通過改變定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來優(yōu)化電磁力波形是比較可行的方法。

3 電控

純電動汽車動力總成電機一般會采用PWM變頻。這種情況下，會引起電機在PWM開關頻率附近的振動。因為人耳敏感區(qū)間在2000Hz～8000Hz，所以當產(chǎn)生一PWM開關頻率（一般在8K～10kHz之間）為載波的階次噪聲時，恰好在人耳敏感區(qū)，聲品質(zhì)上來講，尖銳度較大，穿透力很強，即使噪聲的幅值較小，也會產(chǎn)生人的主觀評價較差的結(jié)果。

對于這種情況，一般都是采取隨機PWM開關頻率的方法來進行改善。這種方式可以分散PWM開關頻率引起的階次性噪聲的能量，使得該階次的能量，分散到多個頻率區(qū)間，從而降低主觀不適感。此外，采用諧波注入方式抑制指定階次的振動，目前也成為電控降噪的主流方向之一。

4 減速器振動分析

減速器是純電動汽車動力總成的主要激勵源。其異常的振動基本上因為故障，其中包括齒輪故障、軸承故障、軸系故障、安裝不當?shù)鹊取p速器零部件的故障占比見表1。

由表1可見，純電動汽車動力總成的故障主要發(fā)生在齒輪、軸承和軸上面。

4.1 齒輪

齒輪可以看做一個典型的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。其數(shù)學模型如下：

式中：X—沿嚙合線上齒輪的相對位移;

M—齒輪換算質(zhì)量;

C—齒輪嚙合阻尼;

K（t）—齒輪嚙合剛度;

E1—齒輪受載后的平均變形;

E2（t）—齒輪誤差或故障造成的兩輪間的相對位移。

由上式可知，齒輪的振動為自激振動，公式左端代表齒輪副本身的振動特征，右端為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看出，齒輪的振源來源于兩部分：一部分為常規(guī)振動部分K（t）E1，是由正常的交變載荷引起的振動，與齒輪誤差和故障無關;另一部分K（t），它取決于齒輪齒形加工誤差的綜合剛度K（t）和故障函數(shù)K2（t）。這一部分可以較好的解釋齒輪信號中邊頻存在及它們與故障的關系。

齒形誤差時，因為E2（t），產(chǎn)生載波頻率為嚙合頻率及其倍頻，調(diào)制頻率為軸轉(zhuǎn)頻的調(diào)制現(xiàn)象。FFT上在嚙合頻率及其倍頻附近產(chǎn)生較明顯的邊頻帶。而當E2（t）較為嚴重時， 因為振動能量較大，會激起整個結(jié)構(gòu)的固有頻率，colourmap圖上會出現(xiàn)明顯的共振帶，引發(fā)較為嚴重的振動。

齒輪正常工作時，由于是均勻磨損產(chǎn)生，所以不會有明顯的調(diào)制現(xiàn)象。當磨損較為嚴重時，嚙合階次的幅值明顯增大，而且轉(zhuǎn)速越高，幅值增大越明顯。

4.2 軸承

不同類型的軸承，其產(chǎn)生振動原理略有不同。滑動軸承的剛性更好，阻尼偏大，因此產(chǎn)生噪聲較小。但當滑動軸承潤滑不足時，也會產(chǎn)生摩擦噪聲。對于內(nèi)外徑同一級別的滾動軸承來講，它的NVH表現(xiàn)就不如滑動軸承。理論上，滾珠個數(shù)越多，越接近于滑動軸承。因為電機和減速器上常用的軸承是滾動軸承，下面就滾動軸承進行一些研究。

（一）復合材料滾動軸承的噪聲

滾動軸承的振動源是它的零部件，包括內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等。各零部件工作時相互碰撞，就會產(chǎn)生振動噪聲。軸承加載時，由于各零件的運行軌跡和載荷發(fā)生周期性的變化，它的彈性變形也會周期性變化，從而導致整個結(jié)構(gòu)的振動。軸承零件振動引起結(jié)構(gòu)噪聲在軸承噪聲中占有重要的地位。

（二）有損壞的復合材料滾動軸承的振動和噪聲

滾動軸承因為安裝不當或運輸不當，其中的各零部件會產(chǎn)生損傷。它的主要表現(xiàn)故障階次明顯增加。具體排查辦法是查找軸承的故障階次，查看配合尺寸，并更換軸承。

4.3 軸

（1）軸輕度彎曲

軸輕度彎曲工作時，會造成齒面磨損和齒廓變形。由此引起嚙合的齒距發(fā)生變化，而產(chǎn)生載波頻率為嚙合頻率及其倍頻，調(diào)制頻率為軸轉(zhuǎn)頻的調(diào)制現(xiàn)象。

（2）軸嚴重彎曲

當軸的同軸度較差時，1階能量最為突出。因為振動能量較大，會激起整個結(jié)構(gòu)的固有頻率，引發(fā)較為嚴重的振動。對齒輪和軸承都會產(chǎn)生較大沖擊。沖擊過程持續(xù)整個周期 1/3 以上。因此保證軸的設計公差和來料檢測是保證軸系NVH性能的基礎。

4.4 減振措施

（1）齒輪參數(shù)的選用

（2）減速箱殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

可以增加軸承配合孔與減速器大箱體間的結(jié)構(gòu)剛度的方式，來減小結(jié)構(gòu)的振動;對于大范圍的薄壁結(jié)構(gòu)，增加加強筋，避免直接平面轉(zhuǎn)接;箱體內(nèi)部曲面過渡，特別是轉(zhuǎn)角處的圓角采用大半徑的圓弧，同時內(nèi)表面也用加強筋將大平面劃分成各種形狀各異的小平面相接，來降低殼體振動，并減小輻射噪聲;

（3）輪齒修形

為補償嚙合產(chǎn)生的形變，對齒廓進行修形，來強化傳遞平穩(wěn)過渡，也減少齒輪嚙合過程中的沖擊現(xiàn)象，使嚙合平穩(wěn)過渡，最終做到減小整體振動噪聲。

（4）阻尼材料應用

在結(jié)構(gòu)的表面貼覆阻尼材料，如大能等。

5 結(jié)語

隨著新能源行業(yè)的整合和泡沫刺破，市場對新能源汽車的要求也愈加具體和嚴苛。通過對純電動汽車的動力總成激勵源的研究，我們分別對動力總成的電機，控制器以及減速器的各個激勵源的振動機理進行探討，依據(jù)理論推理和應用經(jīng)驗，提出了從源頭上優(yōu)化動力總成NVH性能的方向和辦法，可有效改善純電動汽車的NVH表現(xiàn)，提升乘客主觀評價體檢。

基金項目：基于碳化硅技術的車用電機驅(qū)動系統(tǒng)技術開發(fā)-高頻碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)與整車集成應用（2018YFB0104704）

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