新能源汽車電驅(qū)動總成NVH下線檢測及故障診斷

摘要：隨著我國新能源汽車的不斷發(fā)展，新能源汽車市場滲透率不斷升高，客戶對于新能源汽車的聲學(xué)表現(xiàn)也提出了更高的需求。因此作為全生命周期的重要一環(huán)，不僅在研發(fā)階段，生產(chǎn)過程中的NVH 測試也具有非常重要的意義。作為新能源汽車主要噪聲源之一的電驅(qū)動總成，EOL（ End of line）的下線 NVH 測試也越來越被重視。本文從下線檢測系統(tǒng)和常見故障診斷兩個(gè)角度分別介紹和分析了電驅(qū)動總成噪聲的影響因素及噪聲識別技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速定位，高效維修，為客戶提供更靜謐更舒適的駕駛環(huán)境，進(jìn)而提高產(chǎn)品在市場的競爭力。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；EOL 下線檢測；噪聲源識別；故障診斷

前言

近年來，隨著我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，新能源汽車已成為人們出行的重要選擇，也引起了全球汽車行業(yè)和消費(fèi)者的高度關(guān)注。新能源汽車的電氣化擁有環(huán)保排放和安靜駕駛的優(yōu)點(diǎn)，但也對 NVH 性能提出了更高的要求。由于沒有傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機(jī)的噪聲掩蔽效應(yīng)，電驅(qū)動總成作為主要的動力來源，其NVH（振動、噪聲和粗糙度）問題變得更加突出，嚴(yán)重時(shí)會影響客戶的駕駛體驗(yàn)和乘坐舒適性。

當(dāng)前，雖然對于電驅(qū)動總成的NVH 問題已經(jīng)有了較多的研究和解決方案，但主要針對于研發(fā)階段，在生產(chǎn)過程中針對電驅(qū)動總成的分析研究還相對較少，因此深入探討如何在生產(chǎn)終端進(jìn)行NVH 測試，保障電驅(qū)動聲學(xué)表現(xiàn)，進(jìn)而提高駕駛乘坐舒適性，增強(qiáng)產(chǎn)品在新能源汽車市場的競爭力具有重要意義[1]。

本文基于Rotas NVH 測試系統(tǒng)，全面介紹了EOL 下線檢測的測試原理、檢測項(xiàng)目和技術(shù)要求。并以某新能源汽車電驅(qū)動總成為研究對象，介紹了其常見故障診斷以及針對市場表現(xiàn)的持續(xù)改進(jìn)方案。

一、電驅(qū)動總成下線NVH 檢測的研究意義

首先，新能源汽車在設(shè)計(jì)上通常追求更豪華、更舒適和更靜謐的駕乘體驗(yàn)，但是沒有了發(fā)動機(jī)的掩蔽作用，各種生產(chǎn)缺陷造成的如齒輪箱、電機(jī)的窄帶噪聲，逆變器的開關(guān)頻率以及軸承噪音等更容易被人耳感知。其次，從維修成本的角度上，如果在動力總成層面發(fā)現(xiàn)并更換缺陷零件，成本可能需要花費(fèi)幾千元人民幣，而一旦進(jìn)入整車層面，如果發(fā)現(xiàn)問題再次維修和更換，成本就會上升到上萬元人民幣。最后，總成下線100% 測試的同時(shí)，通過存儲測試結(jié)果，可以對生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。例如對于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以總結(jié)不同批次產(chǎn)品變化從而快速定位；通過趨勢預(yù)測可以對質(zhì)量變化進(jìn)行早期預(yù)警；甚至通過生產(chǎn)過程中獲得的加工裝配參數(shù)等進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，快速找到影響NVH 性能的根本原因，對于機(jī)床等設(shè)備進(jìn)行預(yù)警等。

綜上所述，無論是基于產(chǎn)品質(zhì)量，還是產(chǎn)品成本，以及后續(xù)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析的可能性，一個(gè)良好的NVH 下線檢測系統(tǒng)都有著十分重要的意義。

二、電驅(qū)動總成NVH 下線檢測系統(tǒng)

（一）RotasNVH 測試分析系統(tǒng)

Rotas 測試分析系統(tǒng)是德國Discom GmbH 公司開發(fā)的一套用于汽車動力總成下線的NVH 測試分析系統(tǒng)，作為全球市場和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者之一，Discom 所開發(fā)的Rotas 系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商的測試生產(chǎn)過程中。Rotas 系統(tǒng)由以下核心組件構(gòu)成：（1） 實(shí)時(shí)運(yùn)行的TasAlyser 測量程序，生成測量值并與極限值進(jìn)行比較并作出相應(yīng)結(jié)果[2]。（2）Tax Box 數(shù)據(jù)采集器，采集不同傳感器的振動、噪聲等NVH 數(shù)據(jù)，并與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，得到被測試電驅(qū)動扭矩、轉(zhuǎn)速以及其控制設(shè)備的溫度、壓力等參數(shù)。（3）Tasform 參數(shù)數(shù)據(jù)庫，用于管理測試電驅(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)和型號，還包括邊界曲線的生成設(shè)置。（4）Prasentatiom、Wabpal和TasWavEditor 等分析統(tǒng)計(jì)軟件。5，BKS03、BKS23 以及DRM58 等噪聲振動傳感器。

（二）NVH 下線檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

電驅(qū)動的測試工況一般包含了不同扭矩下的升速、降速和穩(wěn)態(tài)工況，在某些特殊情況下還需要對怠速和反拖工況進(jìn)行測試。測試位置一般配置2 到3 個(gè)加速度傳感器分別貼近減速器輸出軸附近殼體、電機(jī)殼體以及電機(jī)和減速器接合面輸入軸的正上方。針對某些特殊測量還需添加近場麥克風(fēng)以測試空氣聲表現(xiàn)。

NVH 下線檢測的主要測試項(xiàng)目包括階次譜、階次切片和峰值等指標(biāo)，用以控制生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的機(jī)械噪聲、電磁噪聲和電控噪聲的離群問題，同時(shí)保證整車內(nèi)的聲學(xué)質(zhì)量。

NVH 下線檢測除了要滿足測試系統(tǒng)的一致性，重復(fù)性等指標(biāo)外，還需要滿足于整車內(nèi)測試的相關(guān)性要求，具體可參照VDA264 標(biāo)準(zhǔn)要求。此處不再一一不贅述。

三、電驅(qū)動總成故障診斷及常見案例分析

新能源汽車，尤其是純電動汽車電驅(qū)動總成通常包括電機(jī)、減速器和電控單元三個(gè)部分。通常采用永磁同步電機(jī)和兩級減速器的結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)燃油車動力系統(tǒng)，電驅(qū)動總成結(jié)構(gòu)簡單，但是由于整車內(nèi)沒有了發(fā)動機(jī)的掩蔽效應(yīng)，用戶對其NVH 性能也提出了更高的要求。電驅(qū)動總成NVH 噪聲源主要分為三類：由減速器齒輪嚙合或者軸承失效等原因產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，由電機(jī)電磁激勵(lì)產(chǎn)生的電磁噪聲，以及由于電流諧波失真等原因產(chǎn)生的電控噪聲。電驅(qū)動總成是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)際案例中，常常出現(xiàn)各種振動噪聲相互耦合的現(xiàn)象，需要根據(jù)實(shí)際問題具體分析產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象的根本原因，由于篇幅有限，此處不再一一贅述。以下僅針對幾種常見故障類型進(jìn)行簡單介紹：

（一）基于階次切片的電磁噪聲分析

電機(jī)在工作過程中，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙之間存在著電磁力，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電磁力波，其幅值與氣隙中的磁通密度成正比。相比于切向和軸向的電磁力波，徑向的電磁力波往往是引起噪聲的主要因素。一臺NVH 性能良好的電機(jī)，應(yīng)該是是氣隙磁場諧波分量少，產(chǎn)生的徑向力波幅值小，同時(shí)電磁激勵(lì)力的頻率要遠(yuǎn)離定轉(zhuǎn)子固有頻率[3]。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一切零件或裝配偏差常常會導(dǎo)致無法避免的噪聲問題，例如，某型號電驅(qū)動總成由于安裝定子扁線時(shí)機(jī)械手發(fā)生故障，進(jìn)而導(dǎo)致定子線圈虛接，以至三相電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場不平衡，最終造成電機(jī)的48 階次，即電機(jī)6 倍諧波在4 000rpm 以下能量過大，嘯叫音明顯。在對問題電機(jī)故障排查并維修后，相關(guān)轉(zhuǎn)速區(qū)間振動能量改善了將近20 分貝， 聲學(xué)表現(xiàn)改善明顯。

（二）基于階次譜的鬼頻問題分析

實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于齒輪表面缺陷，例如波紋或者周節(jié)誤差，或者軸承內(nèi)外圈一些缺陷產(chǎn)生的噪聲或者振動異常，常常不會反應(yīng)在某些固定的階次上，而是表現(xiàn)在其它的頻譜線上，這些頻譜線被稱作“鬼頻”或者“鬼階”，針對這些頻率或者階次，下線檢測常常使用階次譜分析的辦法，對于離群產(chǎn)品進(jìn)行攔截分析，以便找到背后的根本原因，進(jìn)而對機(jī)械加工產(chǎn)線形成預(yù)警。例如，某電驅(qū)動輸入軸軸承座位置，由于機(jī)加過程中機(jī)床發(fā)生異常振動，導(dǎo)致軸承座處出現(xiàn)明顯振紋，進(jìn)而產(chǎn)生42 階次異響。在對問題進(jìn)行分析后，機(jī)械加工部門排查了相關(guān)機(jī)床，更換了接近使用壽命的軸承，避免了更大的損失。

（三）基于時(shí)域的敲擊類噪聲分析

由于人員操作等問題造成的齒輪齒面損傷，常常反應(yīng)在時(shí)域信號里，由于齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的沖擊信號，會在時(shí)域信號中產(chǎn)生一個(gè)明顯的“峰值crest”，表示信號尖峰干擾和背景噪聲不一樣的強(qiáng)烈程度。在實(shí)際下線檢測中，每個(gè)轉(zhuǎn)子的峰值都會被單獨(dú)計(jì)算，一旦出現(xiàn)離群的高峰值，常常意味著該轉(zhuǎn)子齒面上存在較為嚴(yán)重的損傷。此外“峰態(tài)kurtosis”也常常被用來評估齒輪缺陷，它與峰值有關(guān)，表示信號中存在多個(gè)尖峰，產(chǎn)生的原因可能是齒面上的毛刺現(xiàn)象或者軸承的失效。

（四）不斷提高的檢測分析技術(shù)

目前我國新能源汽車發(fā)展迅猛，滲透率不斷增加，而且終端客戶維權(quán)意識也日益成熟。這就對NVH 工作提出了更高的要求，作為NVH 控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，下線檢測需要根據(jù)市場上新增的需求進(jìn)行不斷地更新優(yōu)化，為研發(fā)環(huán)節(jié)查缺補(bǔ)漏，不斷提高產(chǎn)品性能。例如，某新上市新能源乘用車在能量回收模式下，發(fā)生明顯嘯叫現(xiàn)象[4]。經(jīng)分析查明，正是由于徑向電磁力48 階次對應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)子的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)接近，發(fā)生了共振現(xiàn)象，發(fā)出了明顯的振動噪聲。為了對共振現(xiàn)象進(jìn)行識別和攔截，EOL 在扭轉(zhuǎn)發(fā)生最為明顯的轉(zhuǎn)子軸軸承端面增加了額外的加速度傳感器，并通過階次切片的方法對該問題進(jìn)行了有效的識別。

結(jié)束語

綜上所述，為解決新能源汽車NVH 問題，針對電驅(qū)動總成的NVH 下線檢測，對于提高車輛聲學(xué)表現(xiàn)，減少客戶抱怨，以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的提前預(yù)警，具有重要意義，也是各零部件廠目前采用和努力研發(fā)的重要技術(shù)，NVH 表現(xiàn)也越來越成為評價(jià)電驅(qū)動質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

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