电动汽车动力总成系统激励源振动研究

权飞 朱克非 郭凯 仲秉夫

摘 要：随着传统的燃油车尾气排放造成日趋严重的环境污染问题，环保清洁的新能源汽车将是未来汽车工业的重要发展方向。纯电动汽车因为其低噪声、零排放、结构简单的特点，发展前景很广阔。但没有了发动机的掩蔽效应，纯电动汽车动力总成的NVH问题也成为各大整车厂关注的重点。本文基于纯电动汽车的动力总成，以他的激励源为研究对象，从电机、电控和减速器三个方向，对目前涉及到的纯电动汽车动力总成零部件的NVH机理和优化方法进行了研究。

关键词：NVH;纯电动汽车;动力总成;激励源

1 引言

随着新能源汽车驱动技术的进一步发展，大部分企业已经从关注动力总成系统的功能逐渐转移到性能上，其中就包括NVH性能。有统计结果显示，整车约有1/3故障问题和车辆NVH问题有关系，其中动力总成的NVH性能更是首当其冲。相比传统燃油车来讲，纯电动汽车没有发动机背景噪声的掩盖，自身动力总成系统的NVH问题更容易暴露，因此其NVH设计是一个巨大的挑战。由驱动电机、控制器及固定速比的减速器及差速器一体化设计组成的动力总成成为纯电动汽车的3个主要激振源，改善动力总成的NVH特性将作为整车NVH性能设计的重要一环，对车辆的乘坐舒适性有着重要影响。

2 电机振动分析

电机的NVH问题主要来源于三个方向：电磁、机械以及气动噪声。其中气动噪声对于水冷电机一般可以忽略。机械振动主要与轴承和零部件装配工艺相关，需要在制造阶段通过把控零部件关键尺寸和装配工艺水平加以改善。而电磁噪声的表现均为随转速变化的阶次啸叫，辨识度较高，是消费者和整车厂的主要关注点。

2.1 电磁振动机理

引起电磁噪声的电磁力，一方面有产生使电机（不）旋转的切向力矩，即电磁转矩和齿槽转矩，另一方面有会引起定转子变形和振动的径向力，这两个方向的力和力矩是电机的一个母体效应，只要电机发生旋转和产生转矩，就会这两个力（力矩），从而产生相应的电磁噪声。

在这其中，最重要的就是径向力波。电机内部径向电磁力密度fr可以表示为

fr=（B2r-B2t）≈B2t

式中Br、Bt—径向、切向气隙磁通密度;

μ0—空气磁导率。

径向电磁力在空间分布的花瓣个数，称为径向力的模数，它代表着径向力在圆周上分布着几个周期的正弦波。径向力波的模数和定转子极槽配合方案有关，一般为极数和槽数的最大公约数，另一方面，径向力的模数越低，定子发生变形的节点的距离越远，形变越大。基于以上公式，振动幅值与力波模数的四次方成反比，因此避免出现低模数的径向力波是减低电磁振动主要方式。例如整数槽电机相对分数槽，径向力波模数较大，所以一般整数槽电机相对分数槽电机来讲，振动噪声情况会更好。

2.2 电磁减振措施

要从电机本体结构上来削弱电机的振动一般主要考虑两方面的问题：一是减小永磁电机的齿槽转矩，二是减小定转子永磁体之间的径向吸引力。

优化永磁电机齿槽转炬的方法一直是永磁电机研究方面的一个热点，主要方法有：采用分数槽配合、定子斜槽或转子斜极、优化极弧系数、磁极分段优化布置、不等齿靴宽度、磁极不对称放置、增加辅助槽、优化磁极形等。这些具体的削弱齿槽转矩措施，在实际当中需要结合电机的基本尺寸，如磁钢厚度、槽开口、气隙长度等，进行多参数优化设计，从而对电机的齿槽转矩进行有效削弱。

减小径向力引起的振动，一般主要从两方面入手，一是提高定子结构的刚度，和改变电机定子结构的谐振频率以避免和电磁力的频率一致，但增加定子刚度需要增加材料用量，材料利用率会降低;二是优化或减小径向电磁力，减小电磁力最有效的方法就是增大电机气隙长度，减小电机的磁负荷，但这样做的负面效应也很明显，会使得电机出力和反电势等性能都有所将低，与之相比，通过改变定转子结构来优化电磁力波形是比较可行的方法。

3 电控

纯电动汽车动力总成电机一般会采用PWM变频。这种情况下，会引起电机在PWM开关频率附近的振动。因为人耳敏感区间在2000Hz～8000Hz，所以当产生一PWM开关频率（一般在8K～10kHz之间）为载波的阶次噪声时，恰好在人耳敏感区，声品质上来讲，尖锐度较大，穿透力很强，即使噪声的幅值较小，也会产生人的主观评价较差的结果。

对于这种情况，一般都是采取随机PWM开关频率的方法来进行改善。这种方式可以分散PWM开关频率引起的阶次性噪声的能量，使得该阶次的能量，分散到多个频率区间，从而降低主观不适感。此外，采用谐波注入方式抑制指定阶次的振动，目前也成为电控降噪的主流方向之一。

4 减速器振动分析

减速器是纯电动汽车动力总成的主要激励源。其异常的振动基本上因为故障，其中包括齿轮故障、轴承故障、轴系故障、安装不当等等。减速器零部件的故障占比见表1。

由表1可见，纯电动汽车动力总成的故障主要发生在齿轮、轴承和轴上面。

4.1 齿轮

齿轮可以看做一个典型的弹簧质量系统。其数学模型如下：

式中：X—沿啮合线上齿轮的相对位移;

M—齒轮换算质量;

C—齿轮啮合阻尼;

K（t）—齿轮啮合刚度;

E1—齿轮受载后的平均变形;

E2（t）—齿轮误差或故障造成的两轮间的相对位移。

由上式可知，齿轮的振动为自激振动，公式左端代表齿轮副本身的振动特征，右端为激振函数。由激振函数可以看出，齿轮的振源来源于两部分：一部分为常规振动部分K（t）E1，是由正常的交变载荷引起的振动，与齿轮误差和故障无关;另一部分K（t），它取决于齿轮齿形加工误差的综合刚度K（t）和故障函数K2（t）。这一部分可以较好的解释齿轮信号中边频存在及它们与故障的关系。

齿形误差时，因为E2（t），产生载波频率为啮合频率及其倍频，调制频率为轴转频的调制现象。FFT上在啮合频率及其倍频附近产生较明显的边频带。而当E2（t）较为严重时， 因为振动能量较大，会激起整个结构的固有频率，colourmap图上会出现明显的共振带，引发较为严重的振动。

齿轮正常工作时，由于是均匀磨损产生，所以不会有明显的调制现象。当磨损较为严重时，啮合阶次的幅值明显增大，而且转速越高，幅值增大越明显。

4.2 轴承

不同类型的轴承，其产生振动原理略有不同。滑动轴承的刚性更好，阻尼偏大，因此产生噪声较小。但当滑动轴承润滑不足时，也会产生摩擦噪声。对于内外径同一级别的滚动轴承来讲，它的NVH表现就不如滑动轴承。理论上，滚珠个数越多，越接近于滑动轴承。因为电机和减速器上常用的轴承是滚动轴承，下面就滚动轴承进行一些研究。

（一）复合材料滚动轴承的噪声

滚动轴承的振动源是它的零部件，包括内圈、外圈、滚动体和保持架等。各零部件工作时相互碰撞，就会产生振动噪声。轴承加载时，由于各零件的运行轨迹和载荷发生周期性的变化，它的弹性变形也会周期性变化，从而导致整个结构的振动。轴承零件振动引起结构噪声在轴承噪声中占有重要的地位。

（二）有损坏的复合材料滚动轴承的振动和噪声

滚动轴承因为安装不当或运输不当，其中的各零部件会产生损伤。它的主要表现故障阶次明显增加。具体排查办法是查找轴承的故障阶次，查看配合尺寸，并更换轴承。

4.3 轴

（1）轴轻度弯曲

轴轻度弯曲工作时，会造成齿面磨损和齿廓变形。由此引起啮合的齿距发生变化，而产生载波频率为啮合频率及其倍频，调制频率为轴转频的调制现象。

（2）轴严重弯曲

当轴的同轴度较差时，1阶能量最为突出。因为振动能量较大，会激起整个结构的固有频率，引发较为严重的振动。对齿轮和轴承都会产生较大冲击。冲击过程持续整个周期 1/3 以上。因此保证轴的设计公差和来料检测是保证轴系NVH性能的基础。

4.4 减振措施

（1）齿轮参数的选用

（2）减速箱壳体结构优化

可以增加轴承配合孔与减速器大箱体间的结构刚度的方式，来减小结构的振动;对于大范围的薄壁结构，增加加强筋，避免直接平面转接;箱体内部曲面过渡，特别是转角处的圆角采用大半径的圆弧，同时内表面也用加强筋将大平面划分成各种形状各异的小平面相接，来降低壳体振动，并减小辐射噪声;

（3）轮齿修形

为补偿啮合产生的形变，对齿廓进行修形，来强化传递平稳过渡，也减少齿轮啮合过程中的冲击现象，使啮合平稳过渡，最终做到减小整体振动噪声。

（4）阻尼材料应用

在结构的表面贴覆阻尼材料，如大能等。

5 结语

随着新能源行业的整合和泡沫刺破，市场对新能源汽车的要求也愈加具体和严苛。通过对纯电动汽车的动力总成激励源的研究，我们分别对动力总成的电机，控制器以及减速器的各个激励源的振动机理进行探讨，依据理论推理和应用经验，提出了从源头上优化动力总成NVH性能的方向和办法，可有效改善纯电动汽车的NVH表现，提升乘客主观评价体检。

基金项目：基于碳化硅技术的车用电机驱动系统技术开发-高频碳化硅电机驱动系统开发与整车集成应用（2018YFB0104704）

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