純電動汽車電機懸置支架固有頻率的設(shè)定方法

摘? 要：基于驅(qū)動電機總成噪聲的產(chǎn)生機理和隔振原理的分析，建立了評價工況下基于電機參數(shù)、輪胎參數(shù)在懸置支架固有頻率的設(shè)定方法。以某純電動車急加速工況車內(nèi)電機噪聲存在異常為研究對象，通過整車測試、數(shù)據(jù)分析、路徑分析、隔振分析等最終確定，直接原因是左懸置隔振率不足，根本原因是左懸置殼體支架的固有頻率偏低。基于懸置支架固有頻率設(shè)定方法，提出左懸置“加安裝點”以提高固有頻率的優(yōu)化方案。經(jīng)過實車測試和主觀評價，該方案不僅徹底解決了急加速工況下車內(nèi)電機異常噪聲問題，而且在全轉(zhuǎn)速下整車的噪聲水平和左懸置隔振率均得到了顯著的整體提升。從而證明，純電動汽車電機懸置支架固有頻率設(shè)定方法具有非常高的實用性，能夠為電機懸置支架固有頻率的正向設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：懸置支架；固有頻率；正向設(shè)定；電機噪聲；電動汽車

中圖分類號：U469.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0037-06

The Setting Method for Natural Frequency of Mount Bracket in Electric Vehicle Motor

ZHAN Shi-cheng

（Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： Research on the analysis of the noise generation mechanism and vibration isolation principle of the drive motor assembly， a method for setting the natural frequency of mount bracket was established based on motor parameters， tire parameters， evaluation conditions， etc. The research object is abnormal motor noise under acceleration condition in an electric vehicle， it was finally determined through vehicle testing， data analysis， path analysis， vibration isolation analysis， etc. The direct reason was the insufficient vibration isolation rate of the left mount， and the fundamental reason was the low natural frequency of the left mount housing bracket. The "adding installation points" scheme was proposed to increase the natural frequency base on the setting method. According to the actual vehicle test and subjective evaluation， the scheme not only completely improved the abnormal motor noise in vehicle， but also significantly improved the vehicle noise overall level and the left mount overall isolation rate at full rotate speed range. It proves that the setting method has high practicality， and can provide theoretical basis and guidance for the forward design of the natural frequency of motor mount bracket.

Key Words： Mount Bracket; Natural Frequency; Forward Design; Motor Noise; Electric Vehicle

與傳動的燃油汽車相比，電動汽車的動力總成及其附件系統(tǒng)更為精簡和緊湊，減少了飛輪、離合器、聯(lián)軸器、起動機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等零部件，動力總成的整體質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等大幅降低。電動汽車的整體振動噪聲相對于傳動燃油汽車降低了3～6dB，但是由于缺少發(fā)動機和進排氣噪聲的掩蔽效應(yīng)，源頭激勵的電機噪聲變得更加凸顯[1-3]。對于傳統(tǒng)四缸發(fā)動機汽車，工作轉(zhuǎn)速通常在4500r/min以內(nèi)，因此其主要階次頻率在25～200Hz，激勵頻率屬于低頻范圍；對于電動汽車，工作轉(zhuǎn)速高達(dá)15000～20000r/min，并且中高頻激勵源更多、階次頻率更復(fù)雜，因此激勵頻率可高達(dá)5000Hz[4-7]。

電動汽車的懸置連接著動力總成與車身或副車架，是傳遞路徑中的重要隔振部品，對于衰減源頭激勵具有重要作用[8-9]。懸置系統(tǒng)的隔振性能主要與各懸置支座的橡膠剛度相關(guān)，同時與懸置支架的固有頻率也存在一定關(guān)系[10-11]。在純電動汽車研發(fā)設(shè)計中，針對電機懸置支架固有頻率值的設(shè)定，目前行業(yè)內(nèi)尚無明確的設(shè)定方法，常用的設(shè)定手段是采用經(jīng)驗值。雖然采用經(jīng)驗設(shè)定能夠避免大部分的NVH問題，但是也面臨著如下缺點：當(dāng)經(jīng)驗值設(shè)定偏低時，實車測試階段仍會出現(xiàn)整車NVH共振問題；當(dāng)經(jīng)驗值設(shè)定偏高時，雖然實車測試階段不會發(fā)生NVH問題，但是零件普遍質(zhì)量重、成本高，存在資源的浪費。因此，建立一套科學(xué)和合理的電機懸置支架固有頻率設(shè)定方法有勢在必行。

1? ? 機理分析

1.1? ?電機激勵

永磁同步電機在純電汽車應(yīng)用最為廣泛，電機噪聲的來源包括轉(zhuǎn)子不平衡、軸承振動和電磁力，其中主要激勵為電磁力引起的電磁噪聲。電磁噪聲是驅(qū)動電機特有的噪聲，定子繞組接通交流電后產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場，永磁體轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)下跟隨旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；在氣隙磁場中同時產(chǎn)生作用于定子齒槽的交變電磁力，該電磁力會引起鐵芯和殼體的結(jié)構(gòu)振動，從而向外輻射的噪聲；徑向電磁力引起的輻射噪聲是電機電磁噪聲的主要因素[12-13]。

極對數(shù)為p的永磁同步電機，定子繞組磁場諧波次數(shù)υ和轉(zhuǎn)子磁場諧波次數(shù)μ為[14-15]：

（1）

（2）

定子和轉(zhuǎn)子相互作用的產(chǎn)生的徑向電磁力波的階次數(shù)n1、n2為[14-15]：

（3）

（4）

其中，j=±1，±2，…；r=1，2…。

因此，徑向電磁力波的階次數(shù)為零或電機極數(shù)的整數(shù)倍，同時考慮到定子齒槽數(shù)對徑向力波的影響，電機電磁噪聲的激勵頻率f ' 可表示為：

（5）

其中，f-轉(zhuǎn)子基頻，單位Hz；Z-定子齒槽數(shù)；N-電機轉(zhuǎn)速，單位r/min；LCM最小公倍數(shù)。

1.2? ?減速器激勵

純電動汽車的減速器通常為兩級減速結(jié)構(gòu)，減速器相對于傳統(tǒng)的變速箱沒有了同步器、離合器和齒套等結(jié)構(gòu)。減速器噪聲主要來源于齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵，激勵按照產(chǎn)生的源頭可分為內(nèi)部激勵和外部激烈[16]。

內(nèi)部激勵是齒輪副在嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，該載荷最終傳遞到殼體引起結(jié)構(gòu)振動。內(nèi)部激勵按照機理可分為剛度激勵、傳遞誤差、嚙合沖擊和輪齒拍擊，其中剛度激勵、傳遞誤差和齒輪沖擊均具有一定的周期性并且與制造精度息息相關(guān)，是減速器噪聲的主要來源。外部激勵主要包括電機或負(fù)載的轉(zhuǎn)矩波動、電機的轉(zhuǎn)子不平衡、路面激勵等，外部激勵傳遞到減速器后會引起殼體的共振。

減速器齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)激勵的頻率fz可表述為[13]：

（6）

其中，N’-齒輪轉(zhuǎn)速，單位r/min；Z’-齒輪齒數(shù)；k-階次數(shù)，k=1，2…。

1.3? ?隔振機理

懸置系統(tǒng)隔振效果由系統(tǒng)的整體剛度決定，而懸置系統(tǒng)主要由主動側(cè)支架、被動側(cè)支架和懸置橡膠構(gòu)成，因此系統(tǒng)的整體剛度K可表示為[17-18]：

（7）

其中，Ka-主動側(cè)支架剛度；Kp-被動側(cè)支架剛度；Ki-懸置橡膠剛度。

根據(jù)隔振率IR理論計算公式[19]：

（8）

可知，對于理想的隔振系統(tǒng)，主動側(cè)、被動側(cè)的剛度Ka、Kp趨近于無窮大，系統(tǒng)的整體剛度K主要由懸置橡膠的剛度Ki決定；懸置的橡膠剛度Ki越大，系統(tǒng)的隔振率IR越大，隔振效果越好。

根據(jù)公式（7）、（8）可知，懸置系統(tǒng)的隔振性能主要與懸置橡膠剛度有關(guān)，但是與主動側(cè)、被動側(cè)的剛度也存在關(guān)系，尤其是當(dāng)主動側(cè)、被動側(cè)的剛度遠(yuǎn)低于理想值時。對于懸置被動側(cè)的剛度，不僅與車身接附點的剛度相關(guān)，也與懸置支座殼體（支架類）的剛度相關(guān)。

根據(jù)固有頻率計算公式：

（9）

可知，在質(zhì)量變化不大時，固有頻率與剛度存在一定的正比關(guān)系，剛度越高固有頻率越大。根據(jù)公式（8）進一步可推知，懸置支架的固有頻率對于懸置的隔振率也存在重要影響。

2? ? 方法建立

在純電動汽車行駛過程時，車輛的行車速度V可通過如下公式計算：

（10）

其中，行車速度V單位為km/h；N-電機轉(zhuǎn)速，單位r/min；R-輪輞尺寸，單位英寸；η-輪胎高寬比，單位％；B-輪胎寬度，單位mm；i-電機總傳動比；rt-輪胎動半徑，單位m。

因此，驅(qū)動電機的基頻 f 的可以表示為：

（11）

根據(jù)公式（5）和相關(guān)文獻(xiàn)的研究[13]，對于8極48槽式架構(gòu)的驅(qū)動電機，電磁噪聲的主要激勵頻率為基頻f和倍頻2pf，其余階次頻率的徑向電磁力幅值較小。因此，根據(jù)隔振原理和電機主要頻率的覆蓋范圍可以推知[20]，懸置支架的固有頻率需要大于才能有效防止與電機主要激勵頻率發(fā)生共振。所以，在設(shè)計階段懸置支架的固有頻率f0需要滿足如下條件[21]：

（12）

目前行業(yè)內(nèi)常用的行車速度有20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h等。為了保證懸置支架固有頻率與電磁噪聲的主要激勵頻率完全錯開，可以采用評價工況中的最高車速進行計算懸置支架固有頻率的設(shè)計值。

3? ? 實車驗證

3.1? ?案例分析

某款純電動汽車在水泥路面上急加速行駛，電機工作轉(zhuǎn)速在3125～4000r/min時，在乘員艙內(nèi)電機噪聲明顯變大，主觀感覺聲音的突兀感非常明顯，需要進行優(yōu)化改善。

該驅(qū)動電機總成的相關(guān)參數(shù)如下表1所示，由于該電機采用的是8極48槽式架構(gòu)，根據(jù)公式（3）-（5）可知，電機電磁激勵噪聲的頻率可表示為2pf 的整數(shù)倍，亦即電機激勵的階次頻率主要為8f、16f、24f、48f 等等。

圖1為該工況下駕駛員側(cè)的車內(nèi)噪聲瀑布圖，在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min時出現(xiàn)的異常噪聲頻率段大致為2200～3200Hz，并且在此轉(zhuǎn)速區(qū)間和頻率段內(nèi)，階次頻率48階的直線上均存在明顯的噪點。

懸置的隔振性能可以用隔振率進行描述，一般認(rèn)為在隔振率≥20dB時，懸置隔振效果良好，滿足設(shè)計要求[8]。在急加速工況下的懸置隔振率測試發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，左懸置X和Y向的隔振率均在20dB以上，但是Z向的隔振率很低，尤其是在電機工作轉(zhuǎn)速3125～4000r/min時只有16dB左右，且與整車急加速工況的噪聲問題高度一致，因此是整車噪聲問題的直接原因。

該電動車的輪胎規(guī)格為235/45R18，評價工況的最高行車速度V=120km/h。根據(jù)公式（12）計算可知，該懸置支座殼體固有頻率的設(shè)計值應(yīng)大于1894Hz。圖3為左懸置殼體的固有頻率CAE分析結(jié)果，懸置殼體的振型為沿整車方向Y向擺動，固有頻率僅為1262Hz，不滿足設(shè)計要求。根據(jù)公式（7）～（9）可知，左懸置的固有頻率對于懸置隔振存在重要影響且與隔振測試結(jié)果關(guān)聯(lián)，因此是整車噪聲問題的根本原因。

3.2? ?優(yōu)化方案

根據(jù)左懸置的周邊布置空間和振型，可以在左懸置殼體Y向增加一個與車身連接的安裝點，增大懸置支座在整車Y向的剛度，從而提高懸置支座的固有頻率。圖4為“加安裝點”優(yōu)化方案左懸置固有頻率CAE分析結(jié)果，由于支座殼體的側(cè)面增加了一個車身安裝點，該懸置殼體的振型變化為繞整車方向Z軸的扭轉(zhuǎn)，固有頻率達(dá)到了1947Hz，滿足理論計算的設(shè)計值。

3.3? ?實車測試

圖5為基于優(yōu)化方案在急加速工況下駕駛員側(cè)的車內(nèi)噪聲瀑布圖，在電機轉(zhuǎn)速3125～4000r/min、噪聲頻率2200～3200Hz范圍內(nèi)，48階的噪聲曲線相對于原始狀態(tài)均明顯降低，具有很好的優(yōu)化效果；主觀評價車內(nèi)電機噪聲的突兀感基本消失，噪聲問基本題解決。

圖6為基于優(yōu)化方案在急加速工況下駕駛員側(cè)的OA值曲線，在電機工作全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，整車的噪聲值相對于優(yōu)化前得到了明顯降低，改善效果非常顯著，與主觀評價高度一致。

圖7基于優(yōu)化方案左懸置Z向的隔振率曲線，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化左懸置Z向的隔振率相對于優(yōu)化前，在電機轉(zhuǎn)速3125～4000r/min范圍內(nèi)的隔振率平均提高了4dB左右，基本滿足20dB的設(shè)計要求。此外，在其他工作轉(zhuǎn)速段的隔振率也明顯改善。

3? ? 結(jié)論與建議

本文基于驅(qū)動電機總成噪聲的產(chǎn)生機理和隔振原理的分析，根據(jù)電機參數(shù)、輪胎參數(shù)、評價工況等參數(shù)建立了懸置支架固有頻率的設(shè)定方法。以某電動車在急加速工況下車內(nèi)電機噪聲異常問題為案例，基于懸置支架固有頻率設(shè)定方法，提出左懸置“加安裝點”以提高固有頻率的優(yōu)化方案，最終解決了電機噪聲異常問題，結(jié)論如下：

1）在純電動汽車中，驅(qū)動電機總成的噪聲問題通常發(fā)生在中高頻率段，既包括電機電磁激勵的階次頻率，也包括減速齒輪嚙合的基頻和倍頻。

2）在純電動汽車中，懸置系統(tǒng)的隔振性能主要與懸置橡膠剛度有關(guān)，但是與主動側(cè)、被動側(cè)的剛度也存在關(guān)系。對于懸置被動側(cè)的剛度，不僅與車身接附點的剛度相關(guān)，也與懸置支架的剛度相關(guān)。

3）在純電動汽車中，懸置支架（包括支座殼體）的固有頻率對于懸置隔振性能具有重要影響，并且其與驅(qū)動電機總成參數(shù)、輪胎參數(shù)和評價工況的車速相關(guān)。從正向設(shè)計角度考慮，懸置支架的固有模態(tài)應(yīng)大于 ，即式（13）。

（13）

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專家推薦語

王? ?坤

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

整車技術(shù)部副總工程師? 高級工程師

本論文通過對驅(qū)動電機總成噪聲的產(chǎn)生機理和隔振原理的分析，建立了在車速評價工況下的基于電機參數(shù)、輪胎參數(shù)的懸置支架固有頻率的設(shè)定方法。該方法能夠為電機懸置支架固有頻率的正向設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，具有較高的實用性，具有公開發(fā)表的價值。