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振动噪声等高图的电驱动桥噪声预测及优化.pdf
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1、第 43 卷 第 3 期Vol.43,No.32024 年 5 月Journal of Applied AcousticsMay,2024 研究报告 振动噪声等高图的电驱动桥噪声预测及优化钟秤平1,2王 轮1,2郭 峰1,2王理周1,2高雅娜1陈齐平3郭 荣4(1 江铃汽车股份有限公司南昌330001)(2 江西省汽车噪声与振动重点实验室南昌330001)(3 运载工具与装备教育部重点实验室南昌330013)(4 同济大学上海200092)摘要:在项目开发前期通过优化电驱动桥扭矩特性的设计,可以规避噪声大问题。根据电驱动桥台架在对应扭矩下的振动噪声特性,提出了一套稳定高效的测试流程和分析方法。
2、首先设计了一套完整的试验流程,制定了精准的数据分析方法。然后绘制出能够全面反映电驱动桥振动噪声特性的等高图。最后利用电驱动桥台架的振动噪声等高图,准确评估电驱动桥加速工况下振动噪声风险,为主机厂和电驱动桥零部件企业提供电驱动桥扭矩特性设计前期指导。利用该方法成功识别到某电驱动桥匀速及加速工况下电机及齿轮的啸叫问题。通过优化电驱动桥扭矩特性设计,电机48阶噪声峰值降低了8.5 dB(A),确认该方法准确可靠,具备推广应用价值。关键词:电驱动桥;振动噪声;等高图;噪声预测中图法分类号:TB535文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)03-0561-06DOI:10.11684/j.
3、issn.1000-310X.2024.03.011Noise prediction and optimization of E-axle based on vibration andnoise contour mapZHONG Chengping1,2WANG Lun1,2GUO Feng1,2WANG Lizhou1,2GAO Yana1CHEN Qiping3GUO Rong4(1 Jiangling Auto Co.,Ltd.,Nanchang 330001,China)(2 Jiangxi Vehicle Noise and Vibration Key Lab.,Nanchang 3
4、30001,China)(3 Key Laboratory of Conveyance and Equipment Ministry of Education,Nanchang 330013,China)(4 Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:The problem of high noise level can be circumvented by optimizing the torque characteristics ofthe E-axle in the pre-development phase of the proj
5、ect.According to the vibration and noise characteristics ofthe E-axle platform,a set of stable and efficient test procedures and analysis methods are proposed.First,acomplete set of experimental procedures was designed,and an accurate data analysis method was formulated.Then contour map that can ful
6、ly reflect the vibration and noise characteristics of the E-axle was drawn.Finally,the vibration and noise contour map of the E-axle platform is used to accurately evaluate the vibrationand noise risk under the acceleration condition of the E-axle,which can provide pre-design guidance for theE-axle
7、torque characteristics for original equipment manufacturers and electric drive axle parts companies.This2022-12-06收稿;2023-01-30定稿南昌市重大科技攻关项目(洪科字2023137号),江西省汽车噪声与振动重点实验室开放课题(JXNVHKB-KFKT-201801)作者简介:钟秤平(1982),男,江西赣州人,硕士,研究方向:汽车NVH。通信作者 E-mail:5622024 年 5 月method was used to successfully identify the
8、 whine of the motor and gears of an E-axle under constant speedand acceleration conditions.The torque characteristics of the E-axle was optimized,and the peak value ofthe 48th-order noise of the motor was reduced 8.5 dB(A),which confirmed that the method was accurate andreliable,and had the value of
9、 popularization and application.Keywords:E-axle;Noise and vibration;Contour map;Noise prediction0 引言受“十四五”规划对新能源汽车发展导向影响,以及日益严格的环境排放标准和油耗负积分政策等因素驱动,汽车生产企业与各零部件企业纷纷大力发展三电系统,汽车纯电化已经成为未来汽车发展的主要方向。相比于传统的内燃机汽车,纯电车辆行驶过程中没有了发动机噪声的掩蔽,给车辆的减振降噪带来了一系列的新挑战。例如由电机径向电磁力导致的高频电磁噪声,由减速器齿轮啮合产生的中高频阶次振动与啸叫噪声,由开关频率产生的变频噪
10、声等,均会引起汽车的噪声及声品质问题1。电驱动桥最常见的振动噪声问题有电磁噪声和减速器噪声24。电磁噪声是由电机定、转子之间的电磁力产生,通过壳体振动表面向外辐射,该噪声频率高、持续时间长。高鹏等5提出两种转子优化方案,从电磁力源头优化振动噪声问题。Sun等6、Verez等7在电机极槽配合及分数槽电机噪声方面做了深入分析,分析了整数槽电机与分数槽电机在优化电驱动桥系统振动噪声方向的优与劣。骆开军等8、胡溧等9利用电机气隙磁场理论,通过仿真和计算结果对比确认了径向电磁力是电磁噪声的产生的主要源头,并通过优化气隙磁场优化电磁噪声。以上文献主要聚焦电磁噪声仿真与优化,未对台架噪声与整车噪声进行关联性
11、研究,且缺少对电驱动桥在加速工况下的噪声预测研究。等高线常见于地理学科中,是指地形图上高度相等的各点所连成的闭合曲线。除地形图外,也见于俯视图、阴影图等形式,用于海洋、湖泊的等高线。由多条等高线组合而形成的图形,称之为等高图。国内外基于等高图的研究常见于煤炭勘探、发动机油耗分析等领域。申志广10针对柴油发电机组的油耗特性曲线,利用等高图技术手段优化油耗控制策略,进一步降低油耗。在新能源汽车领域,关于电驱动系统台架振动噪声等高域图的研究文献资料未见述及。减速器噪声是由齿轮啮合过程中传递误差产生的工作噪声11,该噪声频率跨度广,低中高噪声频率成分均存在,传递路径上既存在中低频结构传递,也存在中高频
12、空气传播。Xu12对减速器齿轮传递误差进行仿真分析,与整车状态下电驱动桥工作状态进行对比,提出了优化电驱动桥齿轮方案,优化了车内噪声。Abreu13对齿轮箱工作模态进行仿真,通过振动传递路径分析手段,对不同频率范围内啸叫噪声路径进行贡献分析,得出齿轮箱参数优化方向和路径优化措施。上述文献均是从整车角度进行振动噪声分析,未涉及台架研究及台架噪声与整车噪声的关联性研究。在前期预测电驱动桥引起的车内噪声问题上,缺少在试验台架搭建、试验流程设计、数据精准分析等方面的研究。因此,本文以某款轻客车型的电驱动桥(电机、减速器集成一体)为研究对象,利用台架与整车试验资源,研究电驱动桥系统振动噪声特性14,提出
13、一种测试并绘制振动噪声等高图的方法。利用电驱动桥振动噪声等高图,提出一种与之前学者、主机厂及零部件企业均不相同的电驱动桥系统振动噪声预测方法,并根据该方法指导标定优化整车振动噪声问题。由于车内噪声都是由电驱动系统壳体振动传递和近场噪声空气辐射两种路径形式传递产生。所以,只要明确电驱动系统扭矩特性与壳体振动和近场噪声之间的关系,就可以通过优化扭矩特性方法来降低车内噪声。该方法普遍适用于当前的电驱动系统。1电驱动桥试验台架搭建电驱动桥的结构种类繁多,不同车型上所用的电驱动桥不同。乘用车上常采用的是电机、减速器和控制器等“多合一”驱动系统;商用车上常采用单电机驱动、轮边电驱动、偏置式电驱动桥和同轴式
14、电驱动等。本文采用的是某款轻客车上的偏置式电驱动桥,由永磁同步电机、减速器、差速器、轴管和轮边等组成,通过板簧和减震器与车身相连。第43卷 第3期钟秤平等:振动噪声等高图的电驱动桥噪声预测及优化563综合电驱动桥结构形式及轮边转速、扭矩特性,搭建合适的电驱动桥测试台架,如图1所示。?图1电驱动桥测试台架Fig.1 Test bench of E-axle2 试验设计2.1测点布置为了获取准确的电驱动桥振动噪声特性,将V1、V2、V3三枚振动传感器分别粘贴在电机转子轴轴端、减速器一轴轴端以及差速器壳体3个位置上。将A1、A2、A3、A4、A5五枚声传感器分别布置于电驱动桥总成左、前、右、后、正上
15、5个位置上,均距离电驱动桥壳体10 cm,如图2所示。?VVVAAAAA图2电驱动桥传感器布置示意图Fig.2 Sensor location of E-axle2.2工况设计电驱动桥扭矩外特性图如图3所示,横坐标为电机转速,纵坐标为电机扭矩,扭矩曲线与横坐标所围成的灰色区域为本文选定的工况区域。在工况区域中,横坐标从1000 r/min开始,间隔1000 r/min取一个转速点;纵坐标从50 Nm开始,间隔50 Nm取一个扭矩点。同时必须选择扭矩曲线与转速的交点作为边界点。按照以上工况选择原则,对工况点进行整理,如表1所示。按照表1每个工况测试3组,每组持续15 s,要求每组噪声的声压级比背
16、景噪声大10 dB以上。050100150200250300350123456789101112?/(Nm)?/(103 rmin-1)图3电驱动桥外特性曲线Fig.3 External characteristic curve of E-axle表1电驱动桥测试工况Table 1 Test condition of E-axle扭矩Tk/(Nm)转速Ri/(103rmin1)12345678910111250XXXXXXXXXXXX75X100XXXXXXXXXXX125X150XXXXXXXXX170X200XXXXXXX235X250XXXXX270X300XXXX320XXX3问题识别
17、及确认3.1阶次分析本文采用的电驱动桥搭载一台永磁同步电机和一套二级减速器,内部结构如图4所示。?图4电驱动桥系统内部结构示意图Fig.4Internal structure schematic diagram ofE-axle5642024 年 5 月根据永磁同步电机噪声特性1516,本文采用的8极48槽电机的电磁噪声主要阶次为O1=48阶。依据减速器齿轮啮合阶次计算方法,以电机转速为1阶参考时,减速器一级齿轮对啮合阶次为O2=30阶,减速器二级齿轮对啮合阶为8.63阶。3.2风险识别本文上述测试数据经过LMS Test.Lab软件分析后,均以振动噪声频谱图的形式展现,横坐标为频率,纵坐标振
18、动或噪声幅值,因此须利用公式(1)计算出不同转速不同阶次的对应频率f(Ri,Tk,Oj),并在频谱图中找到对应的幅值:f(Ri,Tk,Oj)=Ri/60 Oj,(1)其中,Ri(i=1,2,3,12)为表1中12列转速,单位 r/min;Tk(k=1,2,3,12)为表1中12组扭矩,单位Nm;Oj(j=1,2,3)为电驱动桥的3个阶次。当需要得到(R2,T1,O3)工况下的阶次幅值时,首先须根据公式(1)计算O3阶次的频率为431.5 Hz。该中低频率问题主要为结构传递,所以参考振动信号。到振动频谱图(为3个振动测点幅值的峰值)中找到该频率对应的幅值0.02 m,如图5所示。54030035
19、04004505000.0300.010.02431.500.02?/m?/Hz图58.63阶振动频谱图Fig.5 8.63thorder vibration spectrum当需要得到(R8,T2,O1)工况下的阶次幅值时,首先根据公式(1)计算O1阶次的频率为6400 Hz。该高频率问题主要为空气辐射,所以参考噪声信号。到噪声频谱图(为5个噪声测点幅值的峰值)中找到该频率对应的幅72.44 dB(A),如图6所示。依上述流程,可获取每个工况下的阶次振动与噪声幅值,形成某阶次振动与噪声表。本文选取电驱动桥8.63阶振动和48阶噪声问题为案例进行研究。将8.63阶振动数据表格导入绘图软件,绘制
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