基于模態分析的電驅動橋噪聲優化

呂良遠, 周炳松, 余云飛, 劉任權, 全旺賢

(柳州五菱新能源汽車有限公司, 廣西 柳州 545007)

電驅動橋噪聲是電動汽車的主要噪聲源之一[1]。針對電驅動橋噪聲的控制,大多研究以電機電磁力引起的電磁噪聲以及旋轉階次噪聲為主[2-4],而忽視了電驅動橋總成模態與整車激勵頻率敏感性的相關影響。本文以一款增程式電動汽車為研究對象,利用測試與仿真相結合的分析方法,通過對該車電驅動橋總成模態進行優化,從而避開整車的激勵頻率來改善電驅動橋引起的車內噪聲問題。

1 問題描述及排查

本文所述的電驅動橋結構型式如圖1所示:驅動電機左端面通過螺栓與電機支架剛性連接,電機支架又通過螺栓與后橋支架剛性連接,后橋支架通過焊接方式固定在后橋上;驅動電機右端面與減速器殼體左端面通過周布螺栓剛性連接;減速器殼體與差速器殼體同樣是通過周布螺栓剛性連接。

1-后橋支架; 2-電機支架; 3-半軸橋管; 4-電機總成; 5-減速器總成; 6-差速器總成圖1 電驅動橋布置型式

1.1 問題描述

在進行主觀評價時,發現駕駛過程中車內能聽到明顯的“嗚嗚”聲,尤其在車速100 km/h工況下特別明顯。評價人員一致認為該異常噪聲屬于必須改善的問題[5]。

利用LMS Test.lab測試分析系統進行實車測試和頻譜分析發現:勻速100 km/h車速下車內前排噪聲總聲壓級為69.5 dB(A)、中排噪聲總聲壓級為71.4 dB(A)、后排噪聲總聲壓級為74.2 dB(A)。通過對采集到的聲音進行濾波回放分析,確定470 Hz為“嗚嗚”聲的主要貢獻頻率,其后排噪聲值達到68.7 dB(A)。勻速100 km/h車內噪聲部分頻譜如圖2所示。

(a) 車內前排噪聲頻譜

(b) 車內中排噪聲頻譜

(c) 車內后排噪聲頻譜圖2 勻速100 km/h車內噪聲頻譜

1.2 問題排查

對測試車輛前、中、后排噪聲進行對比分析,發現中排及后排噪聲明顯比前排大。結合主觀評價初步判定“嗚嗚”聲主要來源于中、后排地板下的電驅動橋。為進一步確認,分別對整個后橋區域的不同零部件進行振動噪聲相關性測試及頻譜分析。因為后橋上的零件都是剛性連接的,而測試后發現后橋上多個位置的振動都存在470 Hz峰值,且電機及減速器殼體的470 Hz振動峰值最明顯,這說明車內“嗚嗚”聲與電驅動橋有很強的相關性,且主要問題就在電機及減速器上。頻譜相關性分析結果如圖3所示。

(a) 減速器振動頻譜

(b) 電機振動頻譜圖3 噪聲與振動相關性分析

2 問題分析及優化

2.1 問題分析

電驅動橋在旋轉過程中會產生旋轉振動,旋轉軸的一階激勵頻率可用式(1)表示,同時旋轉軸還會產生2、3、4……諧階次振動[6]。

f=n/60

(1)

式中:f為頻率;n為轉速。

通過讀取測試時整車CAN信號里的車速及電機轉速可知,車速在勻速100 km/h時的電機轉速為7 100 r/min,通過式(1)可知電機轉子軸第1階激勵頻率f1為118 Hz,第2、3、4諧階次振動頻率分別為236、354、472 Hz;其中第4階頻率與車內“嗚嗚”聲頻率相近。

通過測試實車裝配狀態下電驅動橋的模態,部分測試結果見表1,其中電驅動橋的第7階(電機減速器Z向)模態頻率465 Hz與車速100 km/h時電機轉子軸4階頻率及整車問題頻率470 Hz都非常接近。由此基本可以確定車內的“嗚嗚”聲是因為電驅動橋的第7階模態被電機轉子軸第4階激勵共振而產生。

表1 電驅動橋模態測試結果

利用CAE仿真分析是一種快速尋找優化方案的方法,可以節約大量的時間。通過對電機及減速器內部結構進行適當簡化(但需保證內部零件的重量及質心的準確性)[7],進行仿真計算后得到電驅動橋仿真結果與測試結果的誤差見表2。仿真與測試結果誤差都在10%以內,滿足工程分析要求[8];測試與仿真分析的模態振型基本一致,可以確定仿真分析的準確性。

表2 電驅動橋測試與仿真模態對比

2.2 方案優化

通過前文的分析可知,產生該問題的主要原因是電驅動橋總成的第7階模態被激發引起車內“嗚嗚”聲,根據經驗一般可優化該階模態與激勵頻率避開10%以上即可達到避頻效果,從而改善車內“嗚嗚”聲。根據振動理論可知,改變模態的方法主要是改變系統剛度及質量。若系統是由多個零件構成的總成件,則可通過加強相連零件間的連接剛度來提升系統剛度。在進行方案優化時應盡量選用輕量化、低成本方案,這樣更有利于控制整車成本及能耗。

基于以上原則,本文通過增加電機支架與后橋支架的連接點(由2個增加至3個)、增加電機支架加強筋(由3根增加至4根)并優化加強筋的位置,同時電機支架整體厚度由4 mm加厚至5 mm。優化前后實物對比如圖4所示。該優化方案不涉及零件的模具開發及更改,成本增加相對較少。

圖4 優化前后樣件實物

從表3可以看出,優化后的電驅動橋模態頻率相比優化前都有不同程度的提高,同時也避開了問題車速下電機轉子軸各諧階次頻率。

表3 優化前后電驅動橋模態對比

2.3 優化方案實車驗證

根據仿真優化方案進行電機支架樣件制造并搭載實車進行效果驗證,優化后,車速在勻速100 km/h時,車內前排噪聲總聲壓級從69.5 dB(A)下降至69.1 dB(A);中排噪聲總聲壓級從71.4 dB(A)下降至70.2 dB(A);后排噪聲總聲壓級從74.2 dB(A)下降至70.2 dB(A),原來最突出的470 Hz處噪聲值下降至39.8 dB(A),峰值已基本消失(如圖5所示)。進行實車主觀評價時車內已完全聽不到“嗚嗚”聲,說明該方案優化效果明顯達到預期。

(a) 優化后車內前排噪聲頻譜

(b) 優化后車內中排噪聲頻譜

(c) 優化后車內后排噪聲頻譜圖5 優化后車內噪聲頻譜

3 結束語

本文利用試驗測試與仿真相結合的方法對一款增程式汽車電驅動橋模態引起的車內噪聲問題進行分析、優化,提升電驅動橋模態以避開整車的激勵頻率,并通過實車驗證優化方案的有效性,為以后電驅動橋引起的整車噪聲優化提供了一種思路:若無法改變激勵,可通過改變結構模態來避開激勵頻率從而改善整車噪聲。