面向通用化模塊化開發(fā)的電驅(qū)NVH性能集成

劉紅領(lǐng)，藺 磊，朱志文

面向通用化模塊化開發(fā)的電驅(qū)NVH性能集成

劉紅領(lǐng)，藺 磊*，朱志文

（恒大恒馳新能源汽車研究院，上海 201616）

為應(yīng)對(duì)產(chǎn)品通用化對(duì)整車性能集成帶來(lái)的挑戰(zhàn)，文章研究討論了在通用化模塊化開發(fā)策略下，電驅(qū)系統(tǒng)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能控制及電動(dòng)車整車NVH性能集成應(yīng)對(duì)方案。電驅(qū)系統(tǒng)通用化為電動(dòng)汽車開發(fā)普遍采用的平臺(tái)化策略，文章重點(diǎn)從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本體和傳遞路徑兩方面研究討論了對(duì)應(yīng)的NVH開發(fā)策略。從脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式、齒輪精度、電磁結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)等方面，盡量降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本體的振動(dòng)噪聲；同時(shí)利用模態(tài)解耦、布置、聲學(xué)包、密封、隔振和智能聲場(chǎng)修飾技術(shù)等多種技術(shù)，基于“傳遞路徑”的優(yōu)化、聲聲傳遞路徑和聲振傳遞路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)整車NVH性能的差異化要求。

通用化；模塊化；性能集成；電驅(qū)NVH

在整車開發(fā)過(guò)程中，實(shí)施通用化模塊化戰(zhàn)略，能夠縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用、提升可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。與此同時(shí)，還可以減少采購(gòu)成本、制造設(shè)施投入、精簡(jiǎn)制造流程、提升售后服務(wù)便利度。因此，產(chǎn)品平臺(tái)化和通用化成為提升公司競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，這已經(jīng)是全球汽車行業(yè)的普遍共識(shí)[1]。

通用化工作固然可以帶來(lái)巨大的效益，但也給整車性能集成帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)。對(duì)于整車性能來(lái)說(shuō)，不同車型往往針對(duì)不同的潛在客戶，性能屬性需要有針對(duì)性的差異化開發(fā)，而通用化需求則意味著對(duì)應(yīng)的模塊和零部件具備同樣的實(shí)際性能。

整車性能集成在項(xiàng)目前期完成二級(jí)開發(fā)計(jì)劃和關(guān)鍵開發(fā)關(guān)鍵路徑后，就會(huì)基于企劃目標(biāo)完成整車技術(shù)目標(biāo)設(shè)定，并進(jìn)一步分解到子系統(tǒng)和零部件的技術(shù)要求。

從整車角度來(lái)看，任何單一零部件都有可能出現(xiàn)性能不足或性能過(guò)設(shè)計(jì)的情況。在通用化策略推進(jìn)過(guò)程中，通用化零部件為了適配高端車型的需求，更容易出現(xiàn)性能過(guò)設(shè)計(jì)的情況。整車性能集成需要充分考慮通用化零部件的實(shí)際性能，完善整車技術(shù)目標(biāo)體系，以達(dá)成合理的整車性能，滿足整車技術(shù)開發(fā)目標(biāo)[2-4]。

本文討論了通用化模塊化整車開發(fā)策略下電驅(qū)本體噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能控制技術(shù)及電動(dòng)車整車NVH性能集成應(yīng)對(duì)方案，并探討了模塊化通用化的整車性能集成設(shè)計(jì)。

1 通用化模塊化開發(fā)策略

為提升通用化率，必須在項(xiàng)目前期完成車型平臺(tái)開發(fā)策略，并制定相應(yīng)的通用化模塊化開發(fā)策略[5]。

其中，重點(diǎn)是下車身及底盤系統(tǒng)的開發(fā)，需要提前充分考慮多個(gè)車型的設(shè)計(jì)需求和制造需求。一般性總體策略是最大限度保持關(guān)鍵力傳遞路徑不變，并通過(guò)車身帶寬架構(gòu)件來(lái)調(diào)節(jié)車輛在、、方向的變化，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)拓展和車型演化。

1.1 前艙系統(tǒng)

前艙系統(tǒng)集成了動(dòng)總、底盤、熱管理、內(nèi)外飾等多個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，且對(duì)于碰撞安全、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等整車性能都有非常重要的影響，所以同平臺(tái)車型前艙的力傳遞主路徑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都會(huì)保持不變，而防撞梁、減震塔以及外造型件等部分零件根據(jù)不同車型需求進(jìn)行適配，如圖1所示。

圖1 前艙系統(tǒng)的通用化匹配策略

為了提高通用化率，一般根據(jù)最高配置車型進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)做好其他車型的設(shè)計(jì)保護(hù)，特別是動(dòng)總系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)等。

1.2 地板系統(tǒng)

前地板系統(tǒng)受座椅布置、電動(dòng)車動(dòng)力電池布置、軸距尺寸變化等因素綜合影響，一般保持主體車身座椅橫梁不變，座椅橫梁上增加支架的方式實(shí)現(xiàn)高度變化；在與電池匹配的方向，各平臺(tái)車型保持一致，向調(diào)整長(zhǎng)度匹配電池向變化。通過(guò)改變前地板后端區(qū)域來(lái)滿足不同車型的軸距變化，與此同時(shí)，通過(guò)調(diào)整門檻外板的變化來(lái)調(diào)整車身寬度，如圖2所示。

圖2 前地板系統(tǒng)的通用化匹配策略

后地板因受到后排座椅布置，后懸架形式變化、后驅(qū)動(dòng)類型變化、后懸變化等因素的影響，相應(yīng)的平臺(tái)變化較多，但原則上關(guān)鍵力傳遞路徑和縱梁形式保持不變。為了充分保護(hù)后縱梁主體的沿用性，后縱梁可分為兩段，前端在車型變化時(shí)不受影響；而后端包括后防撞梁、外造型件等部分零件，以適應(yīng)不同車型變化進(jìn)行調(diào)整，如圖3所示。

圖3 后地板系統(tǒng)的通用化匹配策略

在車體架構(gòu)和底盤架構(gòu)的通用化匹配策略制定和開發(fā)過(guò)程中，需同步進(jìn)行動(dòng)力總成、電子電器等系列零件的通用化和模塊化策略制定，以及通用化零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)和性能集成。

2 通用化零部件電驅(qū)NVH性能開發(fā)

通用化零部件性能設(shè)計(jì)，是整車性能集成設(shè)計(jì)的起始重要參考點(diǎn)，各屬性部門從開始就要參與定義通用化零部件的設(shè)計(jì)，確認(rèn)通用化零件是否滿足各個(gè)屬性的整車開發(fā)要求[6]。

在整車性能開發(fā)路徑中，通用化零部件由于需要適配多個(gè)車型平臺(tái)，其性能目標(biāo)及設(shè)計(jì)優(yōu)化需特別關(guān)注。通常，潛在的通用化零部件眾多，牽涉到動(dòng)力總成、電子電器、底盤、車身、內(nèi)外飾等系統(tǒng)內(nèi)的眾多零部件。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通用化是汽車行業(yè)普遍采用的通用化策略，對(duì)于電動(dòng)汽車，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是典型的通用化零部件。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)帶來(lái)車內(nèi)外噪聲和整車抖動(dòng)等一系列NVH問題。按照“源－路徑－響應(yīng)”的NVH開發(fā)思路，首先需要從電驅(qū)系統(tǒng)源頭盡量加以控制。同樣，通用化模塊化開發(fā)一般也是按高配性能的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)保護(hù)。

目前，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車普遍采用高功率密度、低扭矩波動(dòng)和小物理尺寸的永磁同步電機(jī)。從NVH表現(xiàn)來(lái)說(shuō)，電機(jī)NVH性能問題主要包含脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）解調(diào)噪聲、齒輪階次噪聲、電磁階次噪聲等。

永磁同步電機(jī)一般采用PWM系統(tǒng)供電，由PWM系統(tǒng)將電池的直流電轉(zhuǎn)換成與電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配的交流電，故存在以PWM開關(guān)頻率為基頻的載波頻率所引起的調(diào)制解調(diào)噪聲。如圖4所示，在隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，載波頻率不變，但載波信號(hào)的包絡(luò)頻率隨轉(zhuǎn)速變化，導(dǎo)致解調(diào)后的噪聲頻率變化且往兩邊發(fā)散，主觀感知較差。一般都是提高載波頻率，將噪聲轉(zhuǎn)移到人耳不敏感的高頻區(qū)域內(nèi)（8 000 Hz以上）；或者采用隨機(jī)PWM開關(guān)策略來(lái)降低開關(guān)頻率的幅值并將電機(jī)電磁噪聲改變?yōu)橄迬О自肼暋?/p>

圖4 PWM系統(tǒng)引起的噪聲包絡(luò)

齒輪噪聲主要由齒輪嚙合、軸承嚙合、花鍵嚙合、裝配偏心等因素引起的傳遞誤差造成，可通過(guò)齒輪修形和磨齒工藝進(jìn)行優(yōu)化。

電磁噪聲是由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性、氣隙磁場(chǎng)、電磁力波造成，可通過(guò)優(yōu)化定轉(zhuǎn)子的齒槽配合、增大氣隙等因素進(jìn)行優(yōu)化。

從聲輻射角度來(lái)看，電驅(qū)系統(tǒng)本體輻射出來(lái)的聲能量是殼體振動(dòng)擾動(dòng)殼體表面的空氣層所輻射出來(lái)的。但是與電驅(qū)系統(tǒng)振動(dòng)能量相比，由于空氣密度遠(yuǎn)低于電驅(qū)系統(tǒng)密度，所以表面空氣層所包含的振動(dòng)能量非常低。與此同時(shí)，在非殼體模態(tài)頻率范圍，輻射出來(lái)的聲能量與表面空氣層中振動(dòng)能量相比也非常小。這是由于殼體結(jié)構(gòu)表面的彎曲波波速遠(yuǎn)小于空氣聲速（吻合頻率以下），空氣振動(dòng)能量無(wú)法有效轉(zhuǎn)換成聲能量輻射。但是電機(jī)尺寸有限，在殼體模態(tài)頻率范圍，彎曲波會(huì)轉(zhuǎn)換為駐波，從而將表面的空氣層振動(dòng)能量全部轉(zhuǎn)換為聲能量輻射出來(lái)。所以需要盡可能提高電機(jī)殼體模態(tài)，降低本體的聲輻射。

在各階殼體振動(dòng)模態(tài)中，需特別關(guān)注具備高聲輻射效率的模態(tài)。聲輻射效率是指可以輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)的聲能量與結(jié)構(gòu)表面空氣層所具有的振動(dòng)能量之比。而高輻射效率的模態(tài)，是指結(jié)構(gòu)表面的聲輻射效率較高的輻射模態(tài)，一般復(fù)雜振動(dòng)結(jié)構(gòu)的聲輻射模態(tài)通過(guò)數(shù)值法對(duì)輻射阻抗矩陣進(jìn)行特征值分解獲得。

另外，在很多情況下，NVH抱怨往往是產(chǎn)品功能性偏差的一種表現(xiàn)，電驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)部任何損傷或異常運(yùn)轉(zhuǎn)也都會(huì)表現(xiàn)NVH問題。

3 通用化策略下的電驅(qū)NVH性能集成

在通用化策略下，為實(shí)現(xiàn)差異化的整車性能開發(fā)目標(biāo)，需要從其他開發(fā)手段上充分考慮差異，進(jìn)行合理的性能匹配和設(shè)計(jì)優(yōu)化。因?yàn)殡婒?qū)系統(tǒng)的通用化意味著具備相同的NVH本體水平，但是，各車型平臺(tái)可以結(jié)合其他具體設(shè)計(jì)，利用模態(tài)解耦、布置、聲學(xué)包、密封、隔振和智能聲場(chǎng)修飾技術(shù)等多方面來(lái)優(yōu)化電驅(qū)系統(tǒng)帶來(lái)的車內(nèi)NVH表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不同的整車性能要求。

激勵(lì)源往乘客艙傳遞噪聲的途徑，按照傳遞路徑區(qū)分，可分為空氣聲和結(jié)構(gòu)聲。其中，結(jié)構(gòu)聲是激勵(lì)源的振動(dòng)通過(guò)車身懸置激勵(lì)車身產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲，空氣聲是激勵(lì)源的輻射聲通過(guò)車身透射到車內(nèi)的車內(nèi)噪聲。對(duì)于同一激勵(lì)源產(chǎn)生的輻射噪聲Q()和激勵(lì)力F()，可以通過(guò)控制聲聲傳遞路徑H()和聲振傳遞路徑H()來(lái)優(yōu)化車內(nèi)噪聲水平，滿足整車開發(fā)要求，即

相應(yīng)的主要控制路徑如圖5所示。

圖5 電驅(qū)NVH性能的主要控制路徑

3.1 模態(tài)解耦

整體模態(tài)分布圖通常以整車車身為中心，將各主要激勵(lì)源與整車車身模態(tài)、主要零部件和局部鈑金的模態(tài)互相錯(cuò)開，避免共振和拍頻問題。例如：整車蠕行工況下，動(dòng)力總成主要階次頻率需要避開整車彎扭頻率，以避免共振問題；與此同時(shí)，電機(jī)主要階次頻率（包括電機(jī)階次、減速器齒輪階次）也需要避開（建議15 Hz以上），以避免拍頻問題。

3.2 聲源布置

動(dòng)力總成的布置需要從結(jié)構(gòu)布置和空間布置兩方面進(jìn)行考慮。由于動(dòng)力總成尺寸較大，實(shí)際可調(diào)范圍不大。一般還是通過(guò)被動(dòng)手段來(lái)提升車內(nèi)性能。

結(jié)構(gòu)布置上，主要提升動(dòng)力總成懸置安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度、降低車身噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function, NTF）和車身振動(dòng)傳遞函數(shù)（Vibration Transfer Function, VTF）。

空間布置上，臨近的硬邊界（聲學(xué)上）會(huì)反射動(dòng)力總成輻射噪聲，形成同相聲源。同相聲源會(huì)大幅提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聲輻射效率，并且形成強(qiáng)指向的輻射特性。所以，一般在臨近的反射面上布置吸聲材料，降低輻射效率。

3.3 振動(dòng)隔絕

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的懸置系統(tǒng)是降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)力往車身傳遞的最重要手段。懸置系統(tǒng)有著重量支撐、位移約束和隔振保護(hù)等多重作用，故需具備足夠的抗扭限位能力、合理的剛體模態(tài)和解耦率。與此同時(shí)，為提高隔振率，懸置支架模態(tài)要足夠高，并充分考量過(guò)渡段和非線性段的剛度和隔振設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的懸置不同，電驅(qū)系統(tǒng)NVH問題主要是中高頻（500 Hz～2 000 Hz）的齒輪副嚙合噪聲和電磁噪聲，故懸置隔振設(shè)計(jì)要特別關(guān)注中頻段的隔振設(shè)計(jì)。此時(shí)，激勵(lì)頻率遠(yuǎn)高于懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)頻率，隔振優(yōu)化可以考慮采用尼龍懸置等設(shè)計(jì)來(lái)增加阻尼，雖然會(huì)一定程度上降低懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率附近的隔振效果，但是可以大幅增加寬范圍的中高頻隔振效果。

為進(jìn)一步提高懸置隔振能力，降低路徑上的振動(dòng)傳遞，可采用軟連接副車架或者橡膠螺栓形成二級(jí)隔振結(jié)構(gòu)來(lái)提高中高頻隔振效果。

3.4 聲學(xué)包

聲學(xué)包是降低車內(nèi)中高頻噪聲的重要手段，對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，首先可以采用電驅(qū)總成整體聲學(xué)包裹方案，從源頭降低電驅(qū)系統(tǒng)輻射出來(lái)的聲能量。與此同時(shí)，還可以通過(guò)前圍隔聲、前艙吸聲、乘客艙吸聲等一系列聲學(xué)包配置來(lái)降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲對(duì)車內(nèi)的影響。圖6為典型的用于聲學(xué)包性能分析的統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis, SEA）模型。

其中，最重要的是前圍聲學(xué)包的隔聲設(shè)計(jì)。目前，常用的前圍聲學(xué)包中乙烯醋酸乙烯酯（Ethylene Vinyl Acetate, EVA）重層，由于真空吸附制造工藝問題，存在拉薄現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致重層真實(shí)面密度低于設(shè)計(jì)狀態(tài)，且不均勻，最薄區(qū)域往往只有設(shè)計(jì)狀態(tài)的一半左右，存在隔聲短板效應(yīng)。一般可以利用注射成型（Ceramic Injection Moul- ding, CIM）工藝設(shè)計(jì)成可變密度的EVA重層來(lái)優(yōu)化前圍隔聲特性，彌補(bǔ)隔聲不足區(qū)域。

圖6 聲學(xué)包分析SEA模型

3.5 密封

整車密封是NVH開發(fā)的重要基礎(chǔ)，密封性能的不足會(huì)導(dǎo)致隔聲性能的不足。項(xiàng)目開發(fā)前期，可以在模型中通過(guò)最速路徑方法查找車輛的孔洞和鈑金間隙。圖7為鈑金泄露路徑查找分析的示意圖。

圖7 鈑金泄露路徑查找

整車密封不足表現(xiàn)為車內(nèi)外之間存在多個(gè)孔隙，包括功能孔、定位孔以及鈑金制造間隙等。由于這類間隙往往遠(yuǎn)小于聲波尺寸，聲波通過(guò)小孔時(shí)，由于板面收縮和管壁摩擦帶來(lái)的聲阻抗，聲能穿透能力減弱。聲波尺寸相對(duì)于間隙越小，聲能穿透能力越強(qiáng)。所以，從隔聲角度出發(fā)，需盡量減小孔隙面積，縮小孔隙尺寸。

3.6 聲場(chǎng)修飾

在既定的車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境下，還可以借助聲場(chǎng)修飾技術(shù)來(lái)改善車內(nèi)響應(yīng)，如圖8所示。首先獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)（車速、踏板位置等），匹配次級(jí)通道估計(jì)，通過(guò)車載娛樂系統(tǒng)來(lái)修飾車內(nèi)聲場(chǎng)。可借助掩蔽效應(yīng)降低電機(jī)嘯叫聲，增加客戶期望的聲響應(yīng)，改善聲品質(zhì)。

它的意義不僅在于可降低客戶可感知的噪聲，更可以借助藝術(shù)家的設(shè)計(jì)，打造品牌的聲場(chǎng)特征，與品牌整體定位相適應(yīng)。

1—4：揚(yáng)聲器。

4 總結(jié)

基于通用化模塊化開發(fā)背景下，本文討論了電驅(qū)系統(tǒng)NVH開發(fā)技術(shù)及電動(dòng)車整車NVH性能集成應(yīng)對(duì)方案，并進(jìn)一步探討了通用化模塊化策略下的零部件性能設(shè)計(jì)和整車性能集成。

（1）通用化模塊化策略要求盡量適配多個(gè)車型平臺(tái)，同時(shí)需要滿足差異化的性能要求。所以，從NVH角度，“激勵(lì)源”一般采用通用化策略，而“傳遞路徑”是實(shí)現(xiàn)差異化性能要求的主要手段。其中，電驅(qū)系統(tǒng)通用化是電動(dòng)汽車普遍采用的通用化策略。

（2）電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)按照其所搭載車型平臺(tái)的高配置性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從PWM控制方式、齒輪精度、電磁結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)等方面盡可能降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本體的振動(dòng)噪聲。

（3）利用模態(tài)解耦、布置、聲學(xué)包、密封、隔振和智能聲場(chǎng)修飾技術(shù)等多方面來(lái)改變電驅(qū)系統(tǒng)往車內(nèi)傳遞的聲聲傳遞路徑和聲振傳遞路徑，實(shí)現(xiàn)不同的整車NVH性能要求。

[1] 雷穎絜,胡磊,劉偉.汽車企業(yè)推行模塊化的影響因素研究[J].汽車科技,2019(2):2-6.

[2] 何晰浩.面向整車性能的制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2019.

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Electric Drive Unit NVH Performance Integration for Commonality and Modularity

LIU Hongling, LIN Lei*, ZHU Zhiwen

( Hengda Hengchi New Energy Vehicle Research Institute, Shanghai 201616, China )

For commonality strategy, the electric drive unit noise、vibration、harshness(NVH) performance integration technique is discussed in the paper. In electric vehicle development, one electric drive unit usually be adapted to many vehicles. Therefore, the electric drive unit itself and noise vibration harshness (NVN) transmission path were discussed to meet the vehicle requirement. The electric drive unit itself should be optimized as much as possible to meet the top level requirement of vehicle which it is used, with many optimization methods, such as pulse width modulation(PWM) control, gear accuracy, electromagnetic structure, shell structure and so on. Meanwhile, the "NVH transmission path" airborne noise transmission path and structure borne noise transmission path should be different to meet the different vehicle performance requirement, such as modal decoupling, vehicle package, sound package, sealing, vibration isolation, active sound modification technology and so on.

Commonality; Modularity; Performance Integration; Electric drive unit NVH

TB53

A

1671-7988(2023)03-28-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.005

劉紅領(lǐng)（1979—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槌擞密嚻脚_(tái)開發(fā)管理和整車性能開發(fā)管理，E-mail: hongling.liu@hengchiauto.com。

藺磊（1983—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)镹VH開發(fā)及控制技術(shù)，E-mail:lei.lin@hengchiauto.com。