陳士剛（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202006/414835.htm摘 要：針對純電動汽車電動動力系統振動噪聲問題，根據對整車系統振動噪聲的試驗測試，對聲品質主觀評價及實際數據分析，確定純電動汽車主要噪聲階次。對比電動動力系統振動噪聲階次，評估其對整車噪聲貢獻量，研究電動汽車電動動力系統振動噪聲優化方向，提出合理有效的電動動力系統振動噪聲優化措施。
關鍵詞：電動汽車；電動動力系統；振動噪聲；階次分析
純電動汽車將傳統內燃機系統由電驅系統取代，在噪聲方面具有突出優勢，但現階段純電動汽車的設計基本上仍沿用傳統燃油車的相關結構、參數或經驗去設計和驗證，而驅動電機和傳統內燃機在動態特性和噪聲特性均有很大不同[1]，尤其是電驅系統產生的高頻電磁噪聲對汽車聲品質的影響和高轉速、大扭矩的電機特性使得減速器齒輪嘯叫噪聲格外突出。本文針對純電動汽車電動動力系統噪聲問題進行分析，綜合考慮電機及減速器的優化對整車噪聲的影響。
1 純電動汽車電動動力系統簡介
純電動汽車電動動力系統主要由驅動電機、電機控制器及減速器機構組成，實現動力系統的簡化，布置方式較為靈活多樣，但目前多數仍沿用傳統布置方式。圖1為某電動汽車集中式電動動力系統布置圖。
2 純電動動力系統噪聲產生機理
純電動汽車噪聲主要來源於電驅系統和減速器。
電驅系統噪聲主要有如下。
1）電磁噪聲。電磁噪聲來源於電機振動，是電動汽車噪聲的最主要組成部分。電機運行時，氣隙磁場是一個旋轉力波，其產生交變電磁力，作用在電機定子齒槽，通過磁軛向外傳播噪聲[2]。電磁力引起的電磁諧波噪聲是電機固有特性，無法完全消除。
本文研究對象為4對極48槽的永磁同步電機，其主要諧波次數為2np，其中，p為電機極對數，n為1，2，3…。
2）機械噪聲。電機機械噪聲主要來源於電機運轉時轉子不平衡力產生的振動和噪聲，及電機軸承本身及其受到電機各種力的激勵產生的振動和噪聲。
減速器的噪聲是由運轉過程中機體內齒輪嚙合產生周期性交變力導致的齒輪嚙合振動對軸承和箱體作用而輻射出的噪聲，主要包括兩種：嘯叫噪聲和敲擊噪聲。嘯叫噪聲是由內部齒輪在嚙合傳動中所受的不平穩的激振力和嚙合過程的傳動誤差引起的一種中高頻噪聲[3]。敲擊噪聲主要是動力傳動系統扭轉振動造成的。
減速器齒輪振動頻率計算公式如式（1），階次噪聲計算公式如式（2）：
式中：f為齒輪嚙合頻率；Z為齒輪的齒數；n為齒輪的轉速（r/min）；Ord為齒輪副嚙合階次[4]。
3 整車噪聲源測試與噪聲特性分析
以某款電動汽車為例，測試其動力系統的振動和噪聲及駕駛艙內噪聲。
動力總成基本參數如表1。
圖2 為車輛全負荷加速行駛時車內駕駛員外耳噪聲。
回放分析，電動汽車噪聲主要集中在較高頻率噪聲，其中48階為高頻嘯叫，是整車車內噪聲主要貢獻，從2 000 r/min開始，1階和3.6階為低頻主要貢獻，且存在350~440 Hz附近共振。另外，7.8階、8階、22階均對車內噪聲也有較明顯貢獻，與整車電動動力系統主要噪聲階次吻合。
通過對比電機及減速器近場噪聲及振動彩圖，可見8階與48階主要是電機電磁噪聲，1階與3.6階主要為電機機械噪聲。7.8階與22階為減速器齒輪嚙合產生的噪聲。總體分析，車內噪聲主要來源於電動動力系統。
在低速時候，電動汽車的噪聲主要來自減速器，在中高速時電機的噪聲表現明顯。350~440 Hz附近的共振電機側振動表現更為明顯，使得整車噪聲聲壓級有較明顯的增加。
4 驅動電機系統噪聲優化
根據永磁同步電機噪聲產生機理，主磁通沿徑向進入氣隙，作用於定子和轉子上，並產生徑向電磁力[5]，這些不平衡的電磁力波引起電磁噪聲，因此噪聲優化方案主要集中在對電磁噪聲的削弱，主要包含通過對電磁方案的優化和電機殼體的優化。
根據整車數據顯示，48階噪聲是對整車內噪聲最大的貢獻。本文針對電機噪聲有如下優化方案。
4.1 電機轉子斜極優化
轉子分段斜極可以有效地削弱氣隙磁密波形畸變率，同時減小氣隙磁密的大小，且隨著分段數增加，氣隙磁密大小和氣隙磁密波形畸變率也隨之減小[6]。
本文中電機轉子優化結果如圖3。
電機轉子軸向由原來的2段改為4段，在不改變電機功率密度等主要性能參數前提下，有效地削弱齒諧波電勢和齒槽轉矩，對電機最重要的8次、48次諧波也起到了較好的削弱。
4.2 傳播途徑的優化
通過對電機端蓋優化，電機端蓋材料由原來的鋼鐵材料改為密度較小的鋁材料，在重量基本不變條件下，厚度增加至5 mm，增加隔音效果（如圖4）。另外。改變端蓋，對整機模態也會產生較明顯改變，共振頻率改變，削弱共振強度，材料密度的改變對抑制高頻噪聲輻射也有較好的作用。
4.3 優化驗證
電機振動噪聲測試，按照半球法布置方式，在距離電機中心0.5 m外測量面上布置4個傳聲器，測試出各測點聲壓級。殼電機上殼體、電機後殼體、電機右殼體、控制器殼體布置4個三向振動加速度傳感器（如圖5）。
針對電機系統優化後前後的臺架驗證效果如圖6、圖7所示。
通過對電機臺架驗證數據分析，轉子斜極的優化，及電機端蓋的更改，均對電機噪聲有明顯改善，優化後的電機8、16、24、48階次振動均有明顯降低，噪聲也有較好的改善。
5 減速器噪聲優化方法
5.1 減速器噪聲優化
電動汽車採用電機驅動，與傳統發動機相比，轉速範圍廣，減速器經常工作在高轉速、大扭矩工況，因此，純電動汽車減速器對於齒輪精度及裝配精度要求均有所提高。由此所帶來的減速器嘯叫噪聲是一種人耳敏感的高頻純音，是整車聲品質影響最為重要的因素，是主要降低或消除對象。[7]
本文針對某款電動汽車用兩檔減速器嘯叫噪聲的特點，對齒輪微觀參數進行優化，減小齒輪傳遞誤差，從而減小齒輪嚙合時的振動和噪聲，優化方法主要包含齒形、齒向等參數的修整。
高速級齒輪齒形修行及齒向修形如表2、表3。
低速級齒輪齒形修行及齒向修形如表4、表5。
5.2 優化驗證：
1）傳遞誤差：
微觀參數優化優化效果如表6。可見優化前後齒輪傳遞誤差減少接近一半。
2）經過接觸應力計算分析，接觸應力由齒根調整至了齒中部位。
整車針對減速器優化驗證結果如圖8。
6 整車優化結果
通過對電動動力系統優化，對優化後的電機及減速器裝車進行驗證，並與優化前數據進行對比分析。對整車進行測試結果如圖9。
整車動力系統優化後，車內總體聲壓級明顯降低約20 dB，電機電磁噪聲及減速器嘯叫噪聲得到有效控制，7.8階，8階，22階，48階等均明顯減小。
7 總結
本文通過對某款電動汽車電動動力系統噪聲的分析，提出了合理的優化方法，有效地降低了整車的噪聲，針對本文內容總結如下。
1）通過對整車噪聲的測試，發現純電動汽車電動動力系統是整車噪聲主要來源，尤其是高頻嘯叫主要來源於電機電磁噪聲，及減速器的嘯叫噪聲。
2）驅動電機噪聲主要來源於電機本身電磁噪聲及電機的機械噪聲。削弱其電磁噪聲是實現電機噪聲削弱的主要方式，機械噪聲的優化主要是針對軸承及電機本身動平衡精度的提高。
3）高速減速器依然是技術突破一個難點，尤其是受國內齒輪加工水平受限。針對純電動汽車用電機的高轉速及轉速範圍廣等特性導致的減速器嘯叫噪聲的削弱，主要集中在對齒輪齒向及齒形參數的合理調整，以減小齒輪傳遞誤差，從而減少噪聲。
參考文獻：
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（註：本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第43頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。）