搭載行星減速器的純電動(dòng)客車振動(dòng)試驗(yàn)研究*

張邦基，林 祥，譚博歡，王少華，曾夢(mèng)媛，金秋談

（湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082）

前言

在汽車電動(dòng)化的背景下，純電動(dòng)客車得到了廣泛的推廣應(yīng)用。相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能在更廣的速度范圍內(nèi)提供相對(duì)恒定的功率［1］，因此純電動(dòng)客車可采用僅由主減速器提供傳動(dòng)比的中央直驅(qū)構(gòu)型［2］。中央直驅(qū)構(gòu)型客車傳動(dòng)比較小，因而對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩提出更高要求［3］。這導(dǎo)致電機(jī)成本增加，且長(zhǎng)期處于大轉(zhuǎn)矩大電流的工作狀態(tài)［4］。為解決這一問(wèn)題，純電動(dòng)車常搭載固定傳動(dòng)比減速器或多擋變速器。然而，減速器或變速器的引入，導(dǎo)致整車的振動(dòng)特性發(fā)生顯著的改變。為此，學(xué)者和工程技術(shù)人員展開了大量的研究。Zeng 等［5］對(duì)安裝多擋自動(dòng)變速器的純電動(dòng)客車開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該純電動(dòng)客車動(dòng)力總成與驅(qū)動(dòng)橋間的耦合振動(dòng)通過(guò)動(dòng)力總成懸置和V 形桿傳遞至車內(nèi)，從而造成車內(nèi)地板抖動(dòng)。于蓬等［6］對(duì)某集中驅(qū)動(dòng)式純電動(dòng)汽車開展振動(dòng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動(dòng)汽車存在更顯著的機(jī)電耦合現(xiàn)象與齒輪撞擊、嘯叫現(xiàn)象，其瞬態(tài)振動(dòng)更劇烈。傅洪等［7］針對(duì)電動(dòng)汽車的電機(jī)-變速器耦合導(dǎo)致的傳動(dòng)軸振動(dòng)問(wèn)題，提出了一種線性二次型調(diào)節(jié)器結(jié)合觀測(cè)器的電機(jī)控制方案，抑制了系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

行星減速器是一種質(zhì)量輕、體積小、傳動(dòng)效率高的減速裝置，其在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。Wang 等［8］指出行星減速器具有高效率高減速比的優(yōu)勢(shì)，在汽車電動(dòng)化和電機(jī)動(dòng)力總成集成化的趨勢(shì)下，有很好的應(yīng)用前景，但行星減速器同時(shí)也會(huì)加劇純電動(dòng)車的瞬態(tài)振動(dòng)。對(duì)于行星齒輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)噪聲特性，也有學(xué)者開展了研究［9-10］。張容川等［10］針對(duì)車用CVT 行星輪機(jī)構(gòu)齒輪嘯叫問(wèn)題，開展測(cè)試分析并通過(guò)齒輪修形改善其噪聲特性。但純電動(dòng)客車作為一個(gè)有別于乘用車的復(fù)雜系統(tǒng)，其傳動(dòng)鏈尺寸長(zhǎng)，傳遞轉(zhuǎn)矩大，不同部位振動(dòng)特性差異大［11］，搭載行星減速器后，純電動(dòng)客車的振動(dòng)特性必將更加復(fù)雜，但鮮有文獻(xiàn)對(duì)此展開深入的研究。

本文中針對(duì)搭載行星減速器的純電動(dòng)客車，開展實(shí)車振動(dòng)試驗(yàn)，并詳細(xì)分析整車的振動(dòng)特性。首先，基于實(shí)車振動(dòng)數(shù)據(jù)采用計(jì)權(quán)加速度均方根值和頻譜分析方法評(píng)價(jià)和分析客車的乘坐舒適性和振動(dòng)的主要頻率成分；其次，根據(jù)振動(dòng)頻率成分采用常相干分析研究車內(nèi)地板振動(dòng)與激勵(lì)源振動(dòng)的相關(guān)性，并結(jié)合階次分析方法探討振動(dòng)的主要來(lái)源。同時(shí)，與中央直驅(qū)式純電動(dòng)客車進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)行星減速器對(duì)純電動(dòng)客車振動(dòng)舒適性的影響。

1 試驗(yàn)用車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

為研究行星減速器對(duì)純電動(dòng)客車車內(nèi)振動(dòng)特性的影響，針對(duì)搭載行星減速器的純電動(dòng)客車（下文簡(jiǎn)稱：行星減速客車）開展實(shí)車振動(dòng)測(cè)試，并與中央直驅(qū)式純電動(dòng)客車（下文簡(jiǎn)稱：中央直驅(qū)客車）進(jìn)行對(duì)比分析。純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置如圖1 所示。行星減速客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：動(dòng)力由永磁同步電機(jī)產(chǎn)生，通過(guò)行星減速器減速后，經(jīng)由傳動(dòng)軸傳遞至主減速器。其中永磁同步電機(jī)與行星減速器集成為一體，構(gòu)成該客車的電機(jī)動(dòng)力總成。中央直驅(qū)客車無(wú)變速器，動(dòng)力由電機(jī)直接經(jīng)傳動(dòng)軸傳至驅(qū)動(dòng)橋主減速器。試驗(yàn)用車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示，兩車除電機(jī)動(dòng)力總成不同外，其他結(jié)構(gòu)均相同。兩車針對(duì)相同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，整車動(dòng)力學(xué)性能相同。

圖1 純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

表1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)

相比于定軸輪系，行星輪系中齒輪不僅需要繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還需要公轉(zhuǎn)，其振動(dòng)激勵(lì)呈現(xiàn)多樣化，振動(dòng)特性較為復(fù)雜［12］。為研究行星減速器振動(dòng)特性及其對(duì)整車振動(dòng)特性帶來(lái)的影響，對(duì)行星減速器在正常工況下與故障下的頻率成分進(jìn)行分析。行星減速器的嚙合頻率［13］為

為便于比較，本文假設(shè)行星架轉(zhuǎn)頻為n（t），即

太陽(yáng)輪絕對(duì)轉(zhuǎn)頻為

圖2 行星減速客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

行星輪絕對(duì)轉(zhuǎn)頻為

式中Zp為行星輪齒數(shù)。

行星減速器故障按物理現(xiàn)象進(jìn)行分類，可分為分布型故障和局部型故障兩大類；按照信號(hào)特征進(jìn)行分類，可分為平穩(wěn)型故障、沖擊型故障和復(fù)合型故障3 類［14］，不同故障其調(diào)制邊帶特征不同。其中，太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障下，信號(hào)調(diào)制邊帶中存在太陽(yáng)輪特殊頻率的頻率特征，其定義如下［14］：

利用上述公式可計(jì)算出不同轉(zhuǎn)頻和故障特征頻率，此外，定義傳動(dòng)軸為參考軸，計(jì)算各轉(zhuǎn)頻和特征頻率所對(duì)應(yīng)階次，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。行星輪系在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，行星齒輪的公轉(zhuǎn)會(huì)引起調(diào)制現(xiàn)象從而導(dǎo)致更加復(fù)雜的調(diào)制邊帶特征［15-16］。本文中對(duì)頻譜及邊帶特征進(jìn)行分析，判斷行星輪系故障類型；并研究行星減速器對(duì)客車振動(dòng)特性的影響。

表2 部件轉(zhuǎn)頻與特征頻率及對(duì)應(yīng)階次計(jì)算值

2 實(shí)車振動(dòng)試驗(yàn)

本文中針對(duì)行星減速客車與中央直驅(qū)客車開展實(shí)車振動(dòng)試驗(yàn)。兩試驗(yàn)用車傳感器布置位置相同，車內(nèi)部分傳感器安裝位置如圖3 所示，具體布置如表3所示。試驗(yàn)環(huán)境、道路和車輛條件滿足國(guó)標(biāo)GB/T 12534—90《汽車道路試驗(yàn)方法通則》與GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法》的相關(guān)要求。本文研究對(duì)象均為純電動(dòng)城市公交客車，城市公交客車在服役中車速通常不超過(guò)40 km/h，且存在大量變速工況，故制定如表4 所示包含勻速工況與急加速工況的試驗(yàn)方案。

表3 整車道路試驗(yàn)傳感器布置

表4 整車道路試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)分析

純電動(dòng)客車作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其不同部位振動(dòng)特性差異大，單一的振動(dòng)分析方法無(wú)法全面地研究客車的振動(dòng)特性，為此，需要綜合應(yīng)用不同評(píng)價(jià)分析方法開展分析。本文中應(yīng)用計(jì)權(quán)均方根加速度評(píng)價(jià)的方法評(píng)價(jià)待測(cè)客車在不同工況下的振動(dòng)舒適性；應(yīng)用頻譜分析的方法確定影響車內(nèi)振動(dòng)舒適性的頻率成分；應(yīng)用常相干分析的方法研究車內(nèi)振動(dòng)成分與行星減速器之間的相關(guān)性大小；最后通過(guò)階次分析的方法研究行星減速器的故障類型，探討車內(nèi)振動(dòng)來(lái)源。

3.1 計(jì)權(quán)均方根加速度

為評(píng)價(jià)兩客車振動(dòng)舒適性，本文參照國(guó)標(biāo)GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)第1 部分：一般要求》計(jì)算試驗(yàn)用車在30、40 km/h 勻速工況下車內(nèi)乘客區(qū)振動(dòng)計(jì)權(quán)均方根加速度。此外，國(guó)標(biāo)指出：當(dāng)計(jì)權(quán)均方根加速度值大于0.315 m/s2時(shí)，人體感受為開始感覺(jué)到“有點(diǎn)不舒適”。因此本文以0.315 m/s2作為臨界值進(jìn)行計(jì)權(quán)均方根加速度評(píng)價(jià)。

車內(nèi)乘客區(qū)中部及后部測(cè)點(diǎn)計(jì)權(quán)均方根加速度值如圖4 所示。可以發(fā)現(xiàn)，從整體來(lái)看行星減速客車乘客區(qū)振動(dòng)舒適性優(yōu)于中央直驅(qū)客車，但在40 km/h 勻速工況下行星減速客車車內(nèi)中部地板（下文簡(jiǎn)稱車內(nèi)中部）振動(dòng)舒適性明顯降低，且劣于中央直驅(qū)客車，如圖4（a）所示；而中央直驅(qū)客車在40 km/h勻速工況下車內(nèi)后部地板（下文簡(jiǎn)稱車內(nèi)后部）振動(dòng)舒適性明顯惡化，且超出臨界值，如圖4（b）所示。因此，后續(xù)針對(duì)40 km/h勻速工況開展分析。

圖4 計(jì)權(quán)均方根加速度

3.2 頻譜分析

針對(duì)40 km/h 勻速工況開展頻譜分析。圖5 和圖6 分別為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、車內(nèi)頻譜。圖5（a）表明，行星減速客車電機(jī)振動(dòng)在20、40、62、82、96、124 和144 Hz 處出現(xiàn)峰值，其中20 和40 Hz 分別對(duì)應(yīng)行星架轉(zhuǎn)頻fc及其二倍頻；62 和124 Hz 分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻f(r)s及其二倍頻2f(r)s；而82和144 Hz則分別對(duì)應(yīng)以太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻及以其二倍頻為中心頻率、以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的邊頻；96 Hz 對(duì)應(yīng)行星輪轉(zhuǎn)頻f(r)p，電機(jī)動(dòng)力總成處振動(dòng)頻譜特征與太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障下頻譜特征及邊帶特征相似［14］。中央直驅(qū)客車未出現(xiàn)以上頻率成分峰值。對(duì)比圖5 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)頻譜可發(fā)現(xiàn)，兩車驅(qū)動(dòng)橋處振動(dòng)主要集中在低頻，且幅值明顯低于電機(jī)動(dòng)力總成處的振動(dòng)。

圖5 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜

圖6 （a）表明，行星減速客車車內(nèi)中部14、124 和144 Hz 處出現(xiàn)峰值。14 Hz 處峰值是使行星減速客車車內(nèi)中部振動(dòng)舒適性劣于中央直驅(qū)客車的主要原因，這一峰值僅在車內(nèi)中部出現(xiàn)，未在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)，說(shuō)明這一頻率峰值與電機(jī)動(dòng)力總成及主減速器無(wú)關(guān)，可能由路面輸入或者車架結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)引起。124、144 Hz處峰值對(duì)振動(dòng)舒適性也有一定影響。圖6（b）表明，20 Hz 以下低頻段，中央直驅(qū)客車振動(dòng)幅值高于行星減速客車，考慮到人體對(duì)低頻振動(dòng)的敏感程度高于中高頻，這解釋了車內(nèi)后部中央直驅(qū)客車振動(dòng)舒適性劣于行星減速客車的現(xiàn)象。

3.3 常相干分析

圖6 車內(nèi)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜

上文頻譜分析表明行星減速客車車內(nèi)主要振動(dòng)頻率成分與行星減速器有關(guān)。為分析車內(nèi)振動(dòng)與行星減速器振動(dòng)之間的相關(guān)性大小，分別計(jì)算電機(jī)動(dòng)力總成振動(dòng)與車內(nèi)中部、車內(nèi)后部振動(dòng)之間的常相干函數(shù)［17-19］，得到如圖7所示的常相干函數(shù)曲線并開展常相干分析。

觀察圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)，行星減速客車電機(jī)至車內(nèi)中部常相干函數(shù)曲線在124 和144 Hz 處存在峰值，這表明行星減速客車車內(nèi)中部這兩個(gè)頻率處的峰值由電機(jī)動(dòng)力總成引起；同樣地，通過(guò)圖7（b）可以推斷，行星減速客車車內(nèi)后部20、62 和124 Hz 頻率處峰值也由電機(jī)動(dòng)力總成引起。

此外觀察圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，中央直驅(qū)客車電機(jī)至車內(nèi)后部常相干函數(shù)在20 Hz 以下低頻段函數(shù)值接近1，這說(shuō)明車內(nèi)后部低頻段振動(dòng)主要由電機(jī)引起。值得注意的是，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自身振動(dòng)以電磁力激勵(lì)引起的中高頻的振動(dòng)為主［20］，此處電機(jī)低頻振動(dòng)與電機(jī)或底盤結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)的可能性更大。由于中央直驅(qū)客車沒(méi)有采用行星減速，因此其傳動(dòng)系統(tǒng)整體減速比較小，這使得電機(jī)長(zhǎng)期處于高轉(zhuǎn)矩、大電流的工作狀態(tài)［4］，電機(jī)的體積質(zhì)量也更大。對(duì)比表1 所示兩車電機(jī)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，中央直驅(qū)客車為滿足動(dòng)力性需要，所搭載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)質(zhì)量和輸出轉(zhuǎn)矩都明顯大于行星減速客車。兩車電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作狀態(tài)的差異是導(dǎo)致兩車電機(jī)動(dòng)力總成低頻振動(dòng)特性差異的原因，也是造成中央直驅(qū)式客車車內(nèi)后部振動(dòng)舒適性劣于行星減速客車車內(nèi)后部的原因。

圖7 電機(jī)動(dòng)力總成振動(dòng)與車內(nèi)振動(dòng)常相干函數(shù)

但行星減速器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)62、124 和144 Hz 處振動(dòng)峰值，分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻f(r)s、太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻的二倍頻2f(r)s、太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻的二倍頻附近以行星架轉(zhuǎn)頻為間隔的調(diào)制邊頻2f(r)s+ fc。其中2f(r)s、2f(r)s+ fc頻率處峰值傳遞至車內(nèi)中部，一定程度上降低了行星減速客車車內(nèi)中部振動(dòng)舒適性。

3.4 階次分析

圖8 行星減速客車電機(jī)動(dòng)力總成振動(dòng)階次跟蹤

為探明車輛瞬態(tài)工況振動(dòng)特性，并對(duì)行星減速器的故障類型進(jìn)行研究，針對(duì)加速工況開展階次分析。圖8 為加速工況下兩車電機(jī)動(dòng)力總成振動(dòng)階次跟蹤圖。由圖可知：①行星減速客車電機(jī)振動(dòng)主要集中于較低階次成分，圖中可觀察到最高階次成分為114 階的行星減速器齒輪嚙合階次（Om），該階次成分下振動(dòng)幅值較小，且附近沒(méi)有其他階次存在，如圖8（a）所示。若行星減速器發(fā)生故障，輪齒故障的特征頻率會(huì)出現(xiàn)在齒輪嚙合頻率的邊頻帶上［12-13］，因此可排除行星減速器輪齒故障。②由圖8（b）可知，行星減速客車的電機(jī)動(dòng)力總成存在明顯的1 階、2.11 階、3.11 階、4.11 階、5.22 階等階次成分，分別對(duì)應(yīng)表2 中的可見動(dòng)力總成的振動(dòng)主要由行星架和太陽(yáng)輪的運(yùn)動(dòng)所致。③中央直驅(qū)式客車電機(jī)處不存在以上階次成分，其主要包含1 階、2 階、6 階、8 階等整數(shù)倍階次成分，幅值均較小，而小于1 階的低階成分幅值較大，如圖8（c）所示。其中整數(shù)倍階次成分由電機(jī)電磁激勵(lì)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起，低階成分與結(jié)構(gòu)振動(dòng)有關(guān)。

圖9 行星減速客車電機(jī)動(dòng)力總成振動(dòng)階次譜

進(jìn)一步分析對(duì)應(yīng)的階次譜圖。通過(guò)圖9（a）可以發(fā)現(xiàn)：行星減速客車電機(jī)階次譜中存在行星架旋轉(zhuǎn)階次Oc與行星輪旋轉(zhuǎn)階次除此之外，還出現(xiàn)了以太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)階次及其倍頻為中心階次，以行星架轉(zhuǎn)頻Oc為調(diào)制階次的調(diào)制邊帶在上文頻譜分析中也可觀察到這一調(diào)制邊帶，如圖5（a）所示，階次譜與頻譜體現(xiàn)的邊帶特征表明該行星減速器存在太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障的可能。此外，在太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)階次與其左側(cè)的邊帶與附近，還出現(xiàn)太陽(yáng)輪特殊頻率Δfs對(duì)應(yīng)階次ΔOs，如圖9（b）所示。太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障下各邊帶耦合會(huì)導(dǎo)致該成分［14］，據(jù)此可進(jìn)一步斷定，行星減速器出現(xiàn)了太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障。

行星減速客車電機(jī)階次切片如圖10 所示。可以發(fā)現(xiàn)：3.1階振動(dòng)幅值隨著轉(zhuǎn)速上升而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)700 r/min 后，3.11 階振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于其他階次的幅值。太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障包括太陽(yáng)輪均勻磨損與太陽(yáng)輪偏心［14］，考慮到本文試驗(yàn)用車為未投入使用的新車，可排除太陽(yáng)輪磨損的情況，因此可以斷定行星減速器出現(xiàn)太陽(yáng)輪偏心的故障，這一故障可由太陽(yáng)輪軸制造裝配誤差導(dǎo)致。提高電機(jī)動(dòng)力總成制造裝配精度可改善這一情況。

圖10 行星減速客車電機(jī)動(dòng)力總成振動(dòng)階次切片

4 結(jié)論

本文中針對(duì)某搭載行星減速器純電動(dòng)客車，開展實(shí)車振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)比中央直驅(qū)式純電動(dòng)客車，通過(guò)計(jì)權(quán)均方根加速度評(píng)價(jià)、頻譜分析、常相干分析與階次分析相結(jié)合的方法，分析行星減速器純電動(dòng)客車振動(dòng)特性和振動(dòng)來(lái)源，并評(píng)價(jià)行星齒輪減速器對(duì)車內(nèi)振動(dòng)舒適性的影響，得出以下結(jié)論。

（1）行星減速器具有高效率高傳動(dòng)比等特點(diǎn)，可為純電動(dòng)客車提供期望的傳動(dòng)比，從而降低電機(jī)所需提供的輸出轉(zhuǎn)矩、改善電機(jī)工作狀態(tài)。這使搭載行星減速器的純電動(dòng)客車車內(nèi)后部振動(dòng)舒適性優(yōu)于中央直驅(qū)式客車。

（2）瞬態(tài)工況下，行星減速客車電機(jī)動(dòng)力總成呈現(xiàn)以太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)階次及其倍頻為中心階次以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制階次的調(diào)制邊帶，并出現(xiàn)太陽(yáng)輪特殊階次，且存在明顯的3.11 階振動(dòng)。這說(shuō)明行星減速器存在太陽(yáng)輪平穩(wěn)型故障，由太陽(yáng)輪偏心所致。

（3）行星減速器太陽(yáng)輪偏心的平穩(wěn)型故障導(dǎo)致行星減速客車車內(nèi)中部振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)以太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻二倍頻為中心頻率，行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的調(diào)制邊帶，一定程度上影響客車車內(nèi)中部振動(dòng)舒適性。提高電機(jī)動(dòng)力總成制造裝配精度可避免軸不對(duì)中故障的產(chǎn)生，從而消除行星減速器對(duì)客車振動(dòng)舒適性的影響。