全球新能源汽車行業(yè)一路高歌猛進不可逆的發(fā)展，電動化成為中國乃至全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。無論是傳統(tǒng)燃油車主流汽車廠還是造車新勢力都出現(xiàn)中高端新能源品牌產(chǎn)品，在新能源方向上取得突破，目前市場上新能源汽車占比逐漸增多。
本文以新能源汽車雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)搭載整車為例，在傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)架構(gòu)里，主要以電機、減速器、電機控制器組合技術(shù)方案，簡稱三合一?；蛲ㄟ^傳統(tǒng)的發(fā)動機加電混系統(tǒng)組合技術(shù)方案，其中電混系統(tǒng)主要包括電機、離合器、減速器的集成式電子控制器等方案搭載在整車上，以上方式的組合技術(shù)方案其轉(zhuǎn)速、扭矩等性能很難發(fā)揮到極致，為了提高三合一或多一電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)品的性能開發(fā)，提升產(chǎn)品在全球市場上的競爭力，為消費者帶來更加極致的用戶體驗，從而各大汽車主機廠開始研發(fā)高性能、高效率產(chǎn)品不斷迭代，開發(fā)各種高性能指標(biāo)參數(shù)的雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)品。
雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)，其驅(qū)動架構(gòu)主要由雙電機、雙減速器、集成式控制器等組合而成的雙電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)方案，其布置形式為雙電機對立在兩端布置，每個電機連接一個減速器。這樣雙電驅(qū)系統(tǒng)布置形式可以實現(xiàn)單邊驅(qū)動或雙邊同步驅(qū)動，輪端可同時實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速或最大扭矩輸出，其雙驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)搭載在整車上能將其性能發(fā)揮到極致，這樣的雙驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)特性會帶來獨有的 NVH 拍頻現(xiàn)象和雙電驅(qū)集成雙激勵下噪聲大的 NVH 難題，通過開發(fā)出樣件搭載 NVH 臺架試驗及在整車上均有出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象和雙電驅(qū)系統(tǒng)總成噪聲大，主觀評價不可接受。為解決其 NVH 難題，同時也為開發(fā)人員及整個雙電驅(qū)架構(gòu)帶來前所未有巨大挑戰(zhàn)。對雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu) 特性獨有的拍頻現(xiàn)象以及雙電驅(qū)系統(tǒng)總成噪聲大問題，并對能引起雙電驅(qū)拍頻現(xiàn)象產(chǎn)生的機理進行詳細分析，通過電磁優(yōu)化、齒輪 優(yōu)化、殼體優(yōu)化、聲學(xué)包裝優(yōu)化等技術(shù)方案方法進行介紹。
一、雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象機理
雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)左右兩電機、齒輪參數(shù)相同，在車輛行駛時當(dāng)兩電機存在轉(zhuǎn)數(shù)差，激勵頻率、幅值相近，當(dāng)出現(xiàn)兩個幅值和頻率相近的簡諧波進行疊加時，會出現(xiàn)幅值忽高忽低的現(xiàn)象即“拍現(xiàn)象”，波形的幅值隨時間作強弱周期變化，單位時間內(nèi)出現(xiàn)的拍數(shù)稱為拍頻，如圖 1 所示。
NVH 臺架試驗現(xiàn)象特征
在雙電驅(qū)系統(tǒng)搭載 NVH 臺架試驗過程中，模擬整車路況使得左右電驅(qū)有轉(zhuǎn)速差勻速工況，主觀評價拍頻現(xiàn)象很明顯，不可接受，如圖 2 所示。
整車拍頻現(xiàn)象特征
當(dāng)整車狀態(tài)下在道路上行駛轉(zhuǎn)彎時，左右輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，如下道路轉(zhuǎn)彎示意圖3所示。
根據(jù)公路設(shè)計規(guī)范，例如車速 v=80km/ h=22m/s 時，設(shè)計最小轉(zhuǎn)彎半徑范圍為 250m-400m;
當(dāng) R=250m-400m 時，假設(shè)總速比 13.6， 帶入上式計算得：
左右電機轉(zhuǎn)速：
雙電驅(qū)系統(tǒng)獨有的架構(gòu)特性搭載在整車上，行駛工況下存在左右車輪轉(zhuǎn)速不一致的情況，存在拍頻的風(fēng)險。為排除拍頻風(fēng)險及降低雙電驅(qū)系統(tǒng)噪聲，需進一步分析影響拍頻及雙電驅(qū)系統(tǒng)噪聲大的因素。
二、拍頻根源分析
搭載雙電驅(qū)系統(tǒng) NVH 臺架試驗結(jié)合整車測試數(shù)據(jù)，排查產(chǎn)生拍頻機理分析，通過濾波信號分析，發(fā)現(xiàn)拍頻現(xiàn)象和噪聲大主要貢獻出現(xiàn)在電機階次激勵、齒輪階次激勵，且齒輪激勵貢獻量大于電機激勵，其中電機激勵為低階次和電磁力階次。為了抑制雙電驅(qū)系統(tǒng)拍頻現(xiàn)象及降低雙電驅(qū)噪聲優(yōu)化解決思路，雙電驅(qū)系統(tǒng)方向來講從激勵源(電磁力、齒輪)- 傳遞路徑(殼體)方向上去優(yōu)化，整車方向來講激勵源(雙電驅(qū)系統(tǒng)聲學(xué)包裝)- 傳遞路徑(空氣傳聲整車聲學(xué)包裝)方向去優(yōu)化。
三、電磁力優(yōu)化
本架構(gòu)雙電驅(qū)系統(tǒng)以汽車運用常見的永磁同步電機為例，其主要有轉(zhuǎn)子、定子及其繞組、殼體和端蓋組成。其轉(zhuǎn)子上布置高質(zhì)量的永磁體磁極，由于永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生切向力供電機輸出驅(qū)動扭矩，同時還會產(chǎn)生各種階次頻率的旋轉(zhuǎn)徑向電磁力，此力將引起電機殼體振動，由結(jié)構(gòu)振動引起的結(jié)構(gòu)表面空氣的壓力脈動，并向外傳播，形成輻射噪聲，因此優(yōu)化電磁力可以降低雙電驅(qū)系統(tǒng)振動噪聲。
通過試驗數(shù)據(jù)分析低階次以及電磁力階次在低轉(zhuǎn)速噪聲較為突出，低階次明顯，可優(yōu)化同軸度來降低低階次貢獻量，其中同軸度與樣件生產(chǎn)、制造、工藝、裝配相關(guān)聯(lián)連，一般要求同軸度< 0.2mm，低轉(zhuǎn)速噪聲較為突出可通過諧波注入方式解決優(yōu)化電磁力在低轉(zhuǎn)速貢獻量。
四、齒輪優(yōu)化
齒輪在電驅(qū)傳遞系統(tǒng)中起著重要作用，在傳動過程中，由于制造加工誤差、嚙合錯位量等因素的影響使得傳動過程中存在齒輪傳遞誤差、彈性變形等現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪副在嚙合與嚙出時偏離理論嚙合線，造成內(nèi)部激勵和外部激勵的沖擊產(chǎn)生動態(tài)激勵力，通過傳動路徑傳遞軸、軸承到電驅(qū)殼體，從而振動噪聲異常偏大。在追求更高性能參數(shù)指標(biāo)的同時對齒輪的要求時越來越苛刻，降低齒輪的激勵力是有效降低總成振動噪聲的重要因素。
其中在前期 CAE 仿真階段齒輪 NVH 性能指標(biāo)項的有重合度、嚙合錯位量、軸擾度、傳遞誤差、接觸斑、齒頂滑移率等參數(shù)指標(biāo)需滿足目標(biāo)要求。針對齒輪激勵產(chǎn)生的拍頻現(xiàn)象，可采取避頻或降低齒輪嚙合激勵兩種方案改善拍頻現(xiàn)象及因齒輪階次貢獻的總成噪聲大。
在前期齒輪設(shè)計階段，一方面設(shè)計齒輪總速比不變調(diào)整各級齒數(shù)，可以錯開拍的頻率。另外一方面或齒輪齒數(shù)相同優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù) & 微觀參數(shù)修形，通過齒面修形參數(shù)優(yōu)化，使齒面接觸位置受力居中減小齒輪傳遞誤差，降低嚙合激勵，如圖 4 所示。
五、殼體優(yōu)化
雙電驅(qū)系統(tǒng)殼體設(shè)計開發(fā)要求，需同時滿足 NVH、可靠性、輕量化等相關(guān)性能目標(biāo)要求，使得在設(shè)計殼體過程中不只是簡單的堆料。其中總成模態(tài)、軸承座動剛度、殼體振動響應(yīng)及輻射噪聲等是衡量 NVH 性能開發(fā)仿真分析過程中重要指標(biāo)項。其中殼體的振動噪聲的響應(yīng)是有許多不同的模態(tài)響應(yīng)疊加而來，通過模態(tài)貢獻量計算，可以評估對于某些局部振動噪音峰值，主要參與振動的模 態(tài)有哪些，可以針對性的進行弱點優(yōu)化分析，從而可以降低振動噪聲局部峰值。在前期數(shù)據(jù)設(shè)計階段，通過 CAE 仿真方法不斷迭代計算殼體模態(tài)、軸承座動剛度、振動響應(yīng)及輻射噪聲，可拓撲優(yōu)化方法來提高殼體 NVH 性能。
本雙電驅(qū)系統(tǒng)在前期數(shù)據(jù) CAE 建模仿真階段總成一階彎曲模態(tài)、電控蓋板、軸承座動剛度不達標(biāo)，且存在如一階彎曲、電控蓋板局部呼吸模態(tài)，通過仿真計算殼體振動響應(yīng)及輻射噪聲進行弱點分析，并通過拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化加筋及其拱形結(jié)構(gòu)等方式來解決優(yōu)化殼體，使其殼體 NVH 達標(biāo)，性能更優(yōu)。
六、聲學(xué)包裝優(yōu)化
聲音在空氣介質(zhì)以聲波的形式傳播，在汽車行業(yè)中需對噪聲進行吸隔聲處理，其材料主要涉及吸聲材料和隔聲材料，一般吸聲材料、隔聲材料運用裝配在整車機艙蓋、前圍板、地板、集成在飾件上等車身位置，其中衡量吸聲材料的重要指標(biāo)吸聲系數(shù)，吸聲材料在不同的頻率段下其吸聲性能不同，聲波通過吸聲材料里細小的孔狀結(jié)構(gòu)逐漸緩解振動，并轉(zhuǎn)換為熱能，從而達到吸聲的作用，一般而言吸聲材料在高頻段效果相比低頻段吸聲性能更好。同理衡量隔聲材料的重要指標(biāo)隔聲系數(shù)，隔聲材料在不同的頻率段下其隔聲性能不同，聲波傳播通過高密度隔聲材料結(jié)構(gòu)反射出去，一般隔振材料在低頻段效果較好。
根據(jù)吸聲材料和隔聲材料的結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性，設(shè)計適合新能源汽車的聲學(xué)包裝，新能源車相比傳統(tǒng)車來講高頻噪聲占比多一些，根據(jù)雙電驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計聲學(xué)包裝技術(shù)方案，本雙電驅(qū)系統(tǒng)采用吸聲材料與隔聲材料結(jié)合，吸聲材料采用 PU 發(fā)泡，隔聲材料用 PET 或 EVA 材料，采用內(nèi)吸外隔的方式集成一體隨電驅(qū)系統(tǒng)邊界包絡(luò)成型，一般厚度 25cm 左右覆蓋面積 95% 左右，同時雙電驅(qū)系 統(tǒng)總成聲學(xué)包需滿足防水、耐腐蝕等性能要求。整車聲學(xué)包裝設(shè)計技術(shù)方案除了傳統(tǒng)的聲學(xué)包裝位置布置外在雙電驅(qū)系統(tǒng)正上方車身地板下方需覆蓋電驅(qū)位置其吸聲材料厚度不低于 25cm 左右。根據(jù)雙電驅(qū)系統(tǒng)本身激勵源噪聲頻率貢獻特性和整車車內(nèi)噪聲特性優(yōu)化調(diào)整其聲學(xué)包裝吸隔聲系數(shù)方案。
七、優(yōu)化方案樣件搭載臺架及整車驗證
將優(yōu)化技術(shù)方案樣件零部件檢測合格后裝配總成完成，搭載 NVH 臺架試驗測試，其結(jié)果如圖 5 所示，
根據(jù)上圖 5 原狀態(tài)雙電驅(qū)系統(tǒng)總成與優(yōu)化后雙電驅(qū)系統(tǒng)總成 NVH 臺架試驗測試結(jié)果對比，拍頻現(xiàn)象改善效果明顯。
如圖 6 所示，原狀態(tài)與優(yōu)化后的最大幅值及波動量對比，拍頻的最大幅值從 65dBA 降低到 55dBA，拍頻的上下波動縮減了 60%。在 NVH 臺架試驗?zāi)M道路差速各工況下主觀評價拍頻聲明顯變小，且總噪聲明顯降低。
將該 NVH 臺架試驗的雙電驅(qū)系統(tǒng)總成樣件搭載在整車上主觀評價和客觀測試，車內(nèi)無拍頻現(xiàn)象且雙電驅(qū)總成噪聲對車內(nèi)貢獻小可接受。
八、結(jié)語
新能源汽車雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)且在 NVH 性能領(lǐng)域里特有的拍頻現(xiàn)象及雙激勵下總成噪聲大的難題。在前期開發(fā)階段 NVH 臺架試驗及整車樣車階段主觀評價及客觀測試均存在拍頻現(xiàn)象及雙激勵下總成噪聲大等問題并通過電磁力優(yōu)化、齒輪優(yōu)化、殼體優(yōu)化、聲學(xué)包裝優(yōu)化等各技術(shù)方案，同步結(jié)合生產(chǎn)、制造、工藝、裝配等嚴格把控樣件質(zhì)量等一系列的方案來解決該難題，因此解決雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)所帶來的NVH難題是NVH領(lǐng)域系統(tǒng)工程。
從前期 CAE 仿真分析到樣車搭載臺架試驗階段及整車驗證階段去識別雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)所帶來的 NVH 難題，通過系統(tǒng)性技術(shù)方案優(yōu)化及生產(chǎn)、制造、工藝、裝配把控質(zhì)量相結(jié)合，有效解決該架構(gòu)所帶來特有的 NVH 難題。
新能源汽車行業(yè)內(nèi)相同或類似新能源乘用車雙電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)車型在前期設(shè)計階段及后期樣車調(diào)校階段主觀評價存在拍頻現(xiàn)象及雙電驅(qū)系統(tǒng)總成噪聲大等難題及 NVH 性能優(yōu)化提供參考。
參考文獻略.