某款新能源純電動車輛的NVH問題分析與解決

　　摘 要：隨著世界各國政府對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日漸提升，新能源純電動汽車成為近年來汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。純電動汽車大多采用驅(qū)動電機匹配一級減速箱的新型動力系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)燃油汽車以內(nèi)燃機和變速箱為核心的動力總成。因此純電動汽車的動力系統(tǒng)能夠完全消除內(nèi)燃機產(chǎn)生的震動與噪聲，大幅提升駕駛艙內(nèi)的NVH品質(zhì)。然而失去了內(nèi)燃機低頻噪聲的掩蔽后，驅(qū)動電機與減速箱產(chǎn)生的高頻噪聲帶來了一些新的問題。文章針對售后客戶提出的典型問題抱怨，通過NVH階次和近聲場分貝值測量的對比分析方法，查明問題發(fā)生機理，并通過微觀的測量分析，找到了減速箱噪聲與齒輪關(guān)鍵齒形齒向參數(shù)之間的聯(lián)系。通過后期的設(shè)計優(yōu)化和生產(chǎn)控制，解決了該NVH 問題，大大提升了產(chǎn)品的一致性。

　　關(guān)鍵詞：純電動汽車;NVH;階次;近聲場分貝值

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　　引言

　　目前多數(shù)OEM廠家對于電動汽車研究開發(fā)的重點是動力總成的集成和控制，對于其振動和噪聲的研究尚未引起重視[1]。然而不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，新能源汽車在運行時因為不再有內(nèi)燃機的全時工作，發(fā)動機噪音明顯下降。正是由于這樣的“安靜”， 使客戶對車輛傳動系統(tǒng)的噪聲更加敏感。如何辨別真正噪音的存在，找到導(dǎo)致噪音的產(chǎn)生機理，并通過設(shè)計定義或是制造過程控制來消除噪音的影響，開發(fā)出令客戶滿意的新能源車輛產(chǎn)品成為當(dāng)前新能源電動車輛開發(fā)過程中，許多OEM廠家即將面臨的重要問題。

　　1 某款純電動汽車NVH問題現(xiàn)狀

　　1.1 車輛基本信息

　　某款型號為EV300電動汽車是國內(nèi)某知名OEM 開發(fā)的純電動乘用車產(chǎn)品，車輛一上市便受到廣大客戶的追捧，銷量喜人。該款產(chǎn)品的基本信息參數(shù)如下表1。

　　1.2 車輛動力系統(tǒng)

　　車輛的基本傳動原理如圖1。從圖中可見，車輛以電動機為動力輸出，通過花鍵軸的連接，將動力輸出到減速裝置，減速裝置為單一速比的兩級減速裝置。之后動力通過差速器總成，經(jīng)由半軸輸出到車輛的驅(qū)動輪，完成動力的輸出。

　　1.3 NVH問題描述

　　在售后問題的分析抱怨中，發(fā)現(xiàn)抱怨問題最多的類別是NVH問題。某些客戶提出在個別工況下存在異響。問題的描述為，整車勻速保持車速60-70km/h范圍，對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速3700-4200 rpm，存在“嗚嗚嗚”人耳可識別噪聲，客戶描述嘯叫程度讓人無法接受。為了分析問題的產(chǎn)生機理和類型，須結(jié)合車輛的參數(shù)和傳動機理，通過NVH試驗測試，對問題進(jìn)行展開分析。

　　2 問題分析

　　2.1 階次分析方法

　　在純電車型上由于驅(qū)動電機取代了發(fā)動機，故將電機轉(zhuǎn)速作為傳動主軸振動的基礎(chǔ)頻率[2]。而階次代表的是基礎(chǔ)頻率的倍數(shù)。例如，與基礎(chǔ)頻率相當(dāng)?shù)恼駝宇l率被稱為第一階(First Order);振動頻率對應(yīng)基礎(chǔ)頻率的2倍的諧振頻率為第二階(Second Order)，以此類推[2]。

　　階次跟蹤分析法主要是采用等角度采樣信號，即同步采樣信號，保證在信號每一周期內(nèi)都保持同樣的采樣點數(shù)。再對角度域穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行FFT(Fast Fourier Transformation)，即為快速傅里葉變換則可以得到清晰的圖譜，即階次譜[3]，如圖2：

　　將階次譜按照轉(zhuǎn)速先后順序堆放在一起，并用顏色深淺表示幅值，即得到了階次的color map，如圖3：

　　2.2 固有階次計算

　　為查明問題發(fā)生的機理，在對問題進(jìn)行試驗分析前，先對傳動系統(tǒng)固有階次計算進(jìn)行計算。車輛的永磁同步電機固有特性為72 階，經(jīng)由內(nèi)外花鍵配合和減速裝置連接，減速器部分是二級減速轉(zhuǎn)置，傳動系統(tǒng)的齒數(shù)和固有階次經(jīng)過計算后如表2中所列：

　　表2 減速器裝置固有階次預(yù)分析

　　通過對問題抱怨車輛在車異響信號和動力源轉(zhuǎn)速的對比性能測試分析，測得異響階次為12.2階。對照表2即能很快鎖定異響來源，鎖定問題部件為主減速齒輪副。

　　2.3 故障零件的階次與分貝值實測分析

　　為了進(jìn)一步分析確認(rèn)異響產(chǎn)生的原因，將售后故障件驅(qū)動系統(tǒng)#1和正常驅(qū)動系統(tǒng)#2進(jìn)行對比，利用HEAD Acoustic 測試系統(tǒng)(中文名稱，海德聲科測試系統(tǒng))采集NVH參數(shù)。在工程臺架上將電機轉(zhuǎn)速恒定控制在4000rpm，測試不同扭矩下驅(qū)動系統(tǒng)近場聲壓的分貝值(圖4左)和電機后軸承座振動加速度(圖4右)，進(jìn)行對比測試試驗。試驗數(shù)據(jù)見表3：

　　綜合測試分析來看，兩臺減速箱測試音頻回放都存在12.2階嘯叫，因扭矩不同導(dǎo)致嘯叫聲壓級大小存在差異。轉(zhuǎn)速為4000rpm下，從測試數(shù)據(jù)看，扭矩為40Nm、60Nm、80Nm和100Nm時，近場聲音12.2階在#2系統(tǒng)上的體現(xiàn)明顯比#1系統(tǒng)小，在振動加速度上的相同的階次下，也存在一定的差異，但不是客戶抱怨的重點。

　　3 解決方案

　　通過分析后，可以將問題鎖定為12.2 階次主減速齒輪副嘯叫。根據(jù)系統(tǒng)的傳動原理圖1，對#1與#2驅(qū)動系統(tǒng)的主減速主從動齒輪的齒形齒相相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)了主減速從動齒輪存在一定的差異。測量結(jié)果如下，見圖9和圖10。

　　圖9 #1系統(tǒng)主減從動齒輪的測量結(jié)果

　　對比測量結(jié)果看出，#1系統(tǒng)的主減從動齒輪fHβ(齒向螺旋角誤差)和Cβ(齒向鼓形量偏差)兩個參數(shù)的實測值接近甚至超出設(shè)計的公差上限。

　　對齒輪傳動的該參數(shù)進(jìn)行CAE 分析，

　　如圖11左右圖，左圖為#1件齒輪模型的應(yīng)力分布，右圖為#2件齒輪模型的應(yīng)力分布，可見該兩項參數(shù)差異對傳動應(yīng)力分布的影響。較高應(yīng)力區(qū)域分布相對中心的偏移進(jìn)而影響零件的NVH 特性差。

　　考慮齒輪相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與和制造可行性，將fHβ(齒向螺旋角誤差)公差帶由±9μ適當(dāng)收緊至±7μ;將Cβ(齒向鼓形量偏差)公差帶由原來的3-9μ調(diào)整到3-7μ。進(jìn)行相關(guān)的控制改進(jìn)后，抽取改進(jìn)后零件進(jìn)行測試，NVH特性達(dá)到了#2

　　驅(qū)動系統(tǒng)的相近水平，NVH 問題得到了徹底解決。限于文章篇幅，此處不再展開。

　　4 結(jié)論

　　結(jié)合實際的純電動車輛NVH 案例，通過對車輛信號采集階次分析的方法，初步鎖定問題的源頭。再通過近聲場聲壓級和振動加速度的對比測試與階次分析手段，將問題的根本原因鎖定在傳動系統(tǒng)的主減速齒輪系統(tǒng)。進(jìn)一步測量齒形齒相相關(guān)參數(shù)后，查明齒輪加工參數(shù)對問題噪音的影響，并采取了生產(chǎn)制造和設(shè)計優(yōu)化的方式，解決了問題。該問題的解決不僅大大提升了產(chǎn)品的客戶滿意度和產(chǎn)品美譽度，問題的分析和解決方法為其他產(chǎn)品同類問題的分析和解決也提供了很好的借鑒作用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 張立軍，繆維佳.電動汽車振動和噪聲問題研究展望[J/OL].文檔資源庫，http：//www.93576.com.

　　[2] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動——理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

　　[3] 熊建強，黃菊花.混合動力汽車噪聲和振動的分析與控制[J].噪聲與振動控制，2009(5)：96-100.