純電動汽車聲學包裝件開發策略研究

呂和平，高 峰，幸向玲

純電動汽車聲學包裝件開發策略研究

呂和平1，高 峰2,3，幸向玲1

（1.重慶長安新能源汽車科技有限公司，重慶 401120；2.重慶三峽學院，重慶 404120；3.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 401120）

隨著節能減排要求的不斷提高，汽車輕量化成為有效降低油耗，改善汽車燃油經濟性的重要手段。但是汽車輕量化跟NVH性能存在一定的沖突。文章通過實驗驗證方法，對純電動汽車和傳統燃油車動力總成噪聲頻率成分進行對比分析。針對相關差異特點制定相應驗證方案，通過實車驗證，確定方案有效性。在車內噪聲無明顯惡化的情況下，實現降低成本，減輕重量的目標。

純電動汽車；聲學包裝件；輕量化

前言

隨著國家對環境保護的不斷加強，純電動汽車越來越受到消費者的青睞。純電動汽車具有零排放、使用成本低和加速性能好等優點[1]。純電動汽車沒有燃油車的發動機和進排氣系統，其動力總成由驅動電機和減速器組成[2]。因此，純電動車整車噪聲振動水平優于同等傳統車，但沒有發動機和進排氣系統噪聲的掩蓋，使得純電動汽車的動力總成等部件噪聲問題凸顯。如圖1所示，從純電動汽車和傳統燃油車的動力總成近場噪聲頻譜可以看出，2 000 Hz以下傳統燃油車顯示為典型的發動機階次特性，而純電動汽車的動力總成近場噪聲顯示出的噪聲較散亂。而在2 000 Hz以上純電動汽車的噪聲表現出明顯的嘯叫聲和控制器等電器噪聲，傳統燃油車的動力總成近場噪聲則很微弱。

相較于傳統汽車，純電動汽車對重量更加敏感。因此輕量化設計成為純電動汽車設計開發的趨勢。李智、王磊分析了新能源汽車中復合材料的應用比例逐步提升，并從整車開發角度探討了車用復合材料應用與開發的關鍵[3]。何鳳億、朱合瑞等研究了門飾板輕量化[4]。聲學包裝是從英文Sound package翻譯而來的[5]。一般將吸聲和隔聲材料組成的零部件統一稱為聲學包裝件。純電動汽車的噪聲源與傳統車有所不同，但是當前大部分主機廠針對純電動汽車沒有進行相應聲學包裝件的設計開發，而是沿用傳統車型聲學包裝件。從而，使得一些領域聲學包裝件的性能過剩，另一些領域聲學包裝件的性能不足，沒有達到性能、重量與成本的最優設計方案。

圖1 純電動汽車和傳統燃油車的動力總成近場噪聲特性

本文主要基于純電動汽車噪聲特性，通過動力總成（電機）包裹對噪聲性能的提高、前艙吸音墊厚度減薄和前壁板隔音墊EVA層厚度減薄而適當降低聲學包裝件的吸隔聲性能，實現了相應聲學包裝件的優化設計[6-7]。并且，在滿足NVH性能的情況下，通過取消前罩隔音墊方案，進一步實現降低成本、減輕重量的目標，找到了純電動汽車聲學包裝件的性能、輕量化及成本之間的平衡點。

1 純電動汽車聲學包裝材料設計理論

聲學包裝材料的NVH性能除了設計因素外，主要體現在材料本身的吸聲性能和隔聲性能。在當聲波入射到物體表面時，部分入射聲能被物體表面吸收轉化為其他形式的能量，這種現象叫“吸聲”。某種材料或結構的吸聲能力大小采用吸聲系數表達。吸聲系數等于被材料吸收的聲能（包括透射聲能在內）與入射到材料的總聲能之比，公式如下所示：

式中：0表示入射能量；1表示材料反射的能量；2表示從材料透射過的能量。

影響材料吸聲性能的主要因素為孔隙率、材料密度以及材料厚度。材料內孔隙率越大吸聲性能越好。隨著材料密度的增大，最大吸聲系數向低頻方向移動。隨著材料厚度的增加，吸聲最佳頻率向低頻方向移動，即低頻范圍的吸聲性能隨材料厚度的增加而提高，但厚度增加對高頻聲的吸收影響不明顯，因高頻聲在吸聲材料表面即被吸收。

材料的隔聲能力一般用歌聲量表示，通常用（dB）表示，具體公式如下所示：

lg式中：0表示入射能量；2表示從材料透射過的能量；表示透射系數。

對于某一頻率，零件的隔聲量是隨面密度的增加而增加的；而對于某一零件而言，隔聲量又隨頻率的增加而增加。這種隔聲量隨面密度遞增的規律，稱為隔聲的質量定律[8-9]。

純電動汽車動力總成由驅動電機和減速器組成，同時減速器一般為單級減速器，結構較簡單。相比傳統燃油汽車，純電動汽車沒有進排氣系統，但增加了部分電器件，如電機控制器等。因而純電動汽車的動力總成噪聲跟傳統燃油車存在較大差別。

從圖1動力總成近場噪聲頻譜可以看出，2 000 Hz以下傳統燃油車顯示為典型的發動機階次特性，而純電動汽車的動力總成近場噪聲顯示出的噪聲較散亂。而在2 000 Hz以上純電動汽車的噪聲表現出明顯的嘯叫聲和電機控制器等電器噪聲，傳統燃油車的動力總成近場噪聲則很微弱。

因此，純電動汽車聲學包裝件總體設計策略為：適當降低中低頻噪聲的聲學性能，重點改善高頻噪聲的聲學性能，從而實現產品的輕量化。

2 設計方案及試驗驗證

純電動汽車一般基于傳統的燃油車平臺進行開發。由原來的傳統動力總成變成驅動電機，以及一些相應附件進行變換，其他的零部件保持原車狀態。因為只有動力總成相關零部件變化，所以本文重點關注與動力總成相關的聲學包裝件的優化設計。如圖所示2所示，分別為：動力總成（電機）包裹隔音墊、前艙隔音墊和前壁板隔音墊，以及前罩隔音墊。

2.1 動力總成包裹

某款純電動汽車的動力總成（電機系統）原先沒有包裹隔音墊，現對其用EVA+吸音棉進行包裹，達到隔吸聲的效果。包裹材料的吸隔聲性能如圖3所示。

圖3 某款車電機包裹隔音墊吸聲系數及隔聲量測試數據

圖4 包裹前后動力總成近場噪聲對比圖

如圖4所示，動力總成包裹前后，動力總成近場聲學性能有明顯的提升。從測試數據可以看出，包裹后動力總成近場噪聲2 000 Hz～3 000 Hz，噪聲改善明顯，同時8 000 Hz和16 000 Hz的電機控制器嘯叫聲明顯減弱。

2.2 前艙吸音墊厚度減薄

原車發動機罩吸音墊和發動機艙吸音墊均采用20 mm厚無紡布+PU輕質泡沫+無紡布。針對純電動汽車的噪聲特性，前艙吸音墊厚度由20 mm減薄為15 mm。如圖5所示，前艙隔音墊減薄后吸聲系數在400～6 300 Hz頻段都有一定程度降低，最大降低0.1。

圖5 前艙吸音墊減薄前后吸聲系數對比圖

2.3 前壁板隔音墊厚度減薄

原車前壁板隔音墊采用2.5 mmEVA+20 mm吸音棉，優化方案為1.5 mmEVA+20 mm吸音棉，其材料隔聲對比測試結果如圖6所示。減薄后，隔聲量在800～5 000 Hz降低2～4 dB。

圖6 前壁板隔音墊減薄前后隔聲量對比圖

2.4 優化前后整車性能分析

由于電機包裹方案成本增加較多，故不實施該方案。采取上述其他三個優化方案：（1）取消前罩隔音墊；（2）前艙隔音墊厚度由20 mm減為15 mm；（3）前壁板隔音墊EVA層厚度由2.5 mm減為1.5 mm，駕駛員右耳處加速噪聲整體增大約1dB，變化不大。且主觀評價無明顯惡化。測試數據如圖7所示。考慮到幾個零件的優化可以降低成本29%，減輕重量33%，實施上述方案。

3 結論

通過對純電動汽車和傳統燃油車動力總成噪聲測試，并分析其差異。制定與動力總成相關聲包件的相應方案，進行實車驗證，得到以下結論：（1）純電動汽車動力總成噪聲增加相應的包裹隔音墊后，近場噪聲改善明顯；（2）通過某純電動汽車驗證，取消前罩隔音墊和前艙隔音墊減薄及前壁板隔音墊減薄，整車NVH無明顯惡化，最終確定此方案，從而降低成本，減輕重量。

[1] 趙清,徐衍亮,安忠良,等.電動汽車的發展與環境保護[J].沈陽工業大學學報,2000, 22(5):430-432.

[2] 王志福,張承寧.電動汽車電驅動理論與設計[M].北京: 機械工業出版社,2017.

[3] 李智,王磊.車用復合材料應用與開發關鍵淺析[J].汽車實用技術,2020(5):215-218.

[4] 何鳳億,朱合瑞,王旭初,等.汽車門飾板輕量化方案淺析[J].汽車實用技術,2018(21):145-147.

[5] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

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Research on Development Strategy of Acoustic Packaging for Pure Electric Vehicles

LV Heping1, GAO Feng2,3, XING Xiangling1

( 1.Changan New Energy Automobile Technology Co., Ltd., Chongqing 401120;2.Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404120;3.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 401120 )

With the continuous improvement of energy saving and emission reduction requirements, automobile lightweight has become an important means to effectively reduce fuel consumption and improve automobile fuel economy. However, there is a certain conflict between vehicle lightweight and NVH performance. This paper uses experimental verification methods to compare and analyze the noise frequency components of the powertrain of pure electric vehicles and traditional fuel vehicles. Develop corresponding verification schemes based on relevant differences and characteristics. Through actual vehicle verification, the effectiveness of the program is determined. In the case of no significant deterio- ration of the noise in the car, the goal of reducing costs and reducing weight is achieved.

Pure electric vehicles; Sound package; Lightweight

A

1671-7988(2022)01-06-04

U469.72

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1671-7988(2022)01-06-04

CLC NO.: U469.72

呂和平，工程師，就職于重慶長安新能源汽車科技有限公司，主要從事新能源汽車內飾研發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.002