对样车进行加速、匀速工况下车内外振动噪声试验, 分析电动车振动噪声特性, 为下一步电动车振动噪声的改进提供依据。

试验仪器包括比利时LMS数据采集前端、PCB振动加速度传感器、B& K声学麦克、霍尔转速传感器等。电动车的车内噪声和振动主要来自路面激励、电机激励和后桥齿轮啮合冲击激励, 车内响应点主要是驾驶员和后排座椅位置的振动噪声。表1为传感器布置位置。

图2是声学麦克的布置位置, 根据《GBT 18697— 2002 声学汽车车内噪声测量方法》, 在驾驶员和后排座椅分别布置麦克, 采集车内噪声数据。图3是驾驶员和后排座椅位置的坐垫传感器, 采集座椅位置的振动加速度信号。图4是LMS数据采集前端, 一共40个通道。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 传感器布置位置 Table1 Positions of sensors 传感器类型 布置位置 数量 通道数量 霍尔转速传感器 电机输出轴 1 1 麦克 电机附近 1 1 后桥附近 1 1 驾驶员右耳 1 1 后排乘员右耳 1 1 单向振动加速度 传感器 左前悬架簧上 1 1 左前悬架簧下 1 1 左后悬架簧上 1 1 左后悬架簧下 1 1 三向振动加速度 传感器 驾驶员坐垫 1 3 后排座椅坐垫 1 3 左悬置主被动端 2 6 右悬置主被动端 2 6 桥壳肋板 1 3 总计 16 30

表1 传感器布置位置 Table1 Positions of sensors

图2

Fig.2

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	图2 声学麦克的布置位置Fig.2 Positions of acoustic sensors

图3

Fig.3

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	图3 坐垫传感器Fig.3 Vibration sensors for cushions

图4

Fig.4

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	图4 LMS数据采集前端Fig.4 Data acquisition front-end of LMS

试验场地为安徽省定远汽车试验场, 路面为符合GB 7031规定的B级路面。试验内容如下:

(1)偏频试验。

(2)匀速工况:车辆以40、50、60、70、80、90、100 km/h的车速匀速行驶, 采集整车的振动噪声信号, 信号采集时间为20 s。

(3)加速工况:车辆从静止开始急加速(油门踩到底)到最高车速(100 km/h), 采集加速过程整车的振动噪声信号。

偏频是整车性能的一个重要参数, 对分析悬架传来的路面激励有重要作用。若要准确测得汽车前(后)悬架的偏频, 需要锁止后(前)悬架的弹性元件和非簧载质量, 避免前、后悬架的耦合。但是, 与簧载质量相比, 非簧载质量较小, 并且大部分汽车的悬挂质量分配系数为0.8~1.2, 可以认为前、后悬架簧上质量在垂向的运动是相互独立的^[13]。结合试验场地的条件, 采用如下试验方法对整车进行偏频试验:如图5所示, 试验时, 将汽车的前轮(后轮)行驶到梯形硬木板凸块上并停

图5

Fig.5

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	图5 偏频试验Fig.5 Partial frequency test

住, 用人力将汽车前轮从凸块上推下, 采集簧上和簧下质量的振动曲线。

前、后悬架偏频结果如表2所示, 对于簧上质量的偏频, 前悬架是双横臂独立悬架, 偏频较小; 后悬架是整体式车桥, 采用单级刚度的多片钢板弹簧结构, 偏频较大。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 偏频结果(空载) Table 2 Partial frequency results 前悬架偏频/Hz 后悬架偏频/Hz 簧载质量 1.74 2.1 非簧载质量 16.67 14.3

表2 偏频结果(空载) Table 2 Partial frequency results

3.2.1 驾驶员座椅振动

图6是驾驶员座椅导轨振动的频谱图, 其中g=9.8 m²/s, 座椅振动主要是悬架传来的低频振动。在所有车速下, 都存在1.7 Hz和17 Hz两个最大的峰值, 分别对应前悬架簧载质量和非簧载质量偏频; 500 Hz以上的振动幅值很小, 可以忽略。因此, 车辆匀速行驶时车内座椅振动主要是悬架传来的路面激励。

图6

Fig.6

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	图6 驾驶员座椅z向振动频谱图Fig.6 Vibration pattern of driver seat in z direction

3.2.2 驾驶员位置噪声

从图7可知, 随着车速的增加, 车内噪声值逐渐变大, 但是噪声主要集中在300 Hz以内的中低频, 电机的阶次噪声不明显。

图7

Fig.7

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	图7 驾驶员座椅位置噪声频谱图Fig.7 Noise pattern in driver seat

3.3.1 电机激励分析

永磁同步电机具有大扭矩、体积小等优势, 广泛应用在电动车上。本文所研究的电动车永磁同步电机参数如下:峰值功率为100 kW; 最高转速为4000 r/min; 峰值转矩为1000 N∙ m; 转子极对数为4; 定子开槽数为48; 逆变器开关频率为4000 Hz。

车用永磁同步电机在变频器供电条件下, 输入的电压或电流不是理想的正弦波, 而是一系列等幅不等宽的电压或电流脉冲, 对这些脉冲进行傅里叶级数分解, 可以得到一系列的时间谐波^{[14, 15, 16, 17]}, 使电机中产生较大的电磁力波, 进而引起电机振动和噪声的增大。在车辆加速时, 电机的振动噪声尤为明显。电机的转矩波动方程为^{[18, 19, 20]}:

Te=1.5P×ψ1iq+Ld-Lqiqid-∑i=1∞6i-1ψ6i-1+6i+1ψ6i+1idsin6iPθ-∑i=1∞6i-1ψ6i-1-6i+1ψ6i+1idcos6iPθ (1)

式中:P为极对数; ψ 为定子绕组磁链; i_d和i_q分别为d轴和q轴电流; L_d和L_q分别为d轴和q轴电感; θ 为主磁极与相电流的夹角。

对于磁极对数为P的永磁同步电机, 电源频率f_o=nP/60, 其中n为电机的转速。从式(1)可以看出, 转矩中存在电流基频成分, 以及基频的6i倍谐波成分^[20]。

图8为电机近场噪声的阶次追踪图, 以电机主轴转速为参考转速, 则电流基频f_o=np/60为4阶, 基频的6i倍谐波分别为24阶、48阶、72阶、96阶…从图8可以看出, 在3000 Hz以内, 电机近场噪声主要为24阶、48阶、96阶, 分别对应电流基频的6倍、12倍和24倍。

图8

Fig.8

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	图8 电机近场噪声阶次追踪图Fig.8 Order tracking of motor near-field noise

为了分析各个阶次噪声对总噪声的贡献量, 如图9所示, 对图8的噪声进行阶次切片分析。可以看出, 电机转速在1000 r/min以内时, 各个阶次噪声相差不大; 当转速超过1000 r/min后, 电机48阶噪声最大, 并且随着转速的增加, 48阶噪声和总噪声的差值逐渐缩小, 说明各阶次噪声对总噪声的贡献量越来越大。

图9

Fig.9

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	图9 电机噪声的阶次切片图Fig.9 Order slice plot of motor noise

图8中, 在逆变器开关频率4000 Hz和8000 Hz附近, 存在许多“ 烟花状” 的谐波激励, 这也是电动车和内燃机汽车噪声阶次追踪图的最大区别。这是因为永磁同步电机是由逆变器提供三向交流电, 由于电流调制作用, 在定子电流中会存在一系列载波频率附近的高次谐波成分, 频率为^{[8, 21]}:

f_n=n₁f_T± n₂f_o(2)

式中:n₁和n₂为正整数; f_T为变频器的开关频率。

图10为电机高频噪声的阶次追踪图。在4000 Hz附近, 电流的3次和5次谐波成分较大; 在8000 Hz附近, 电流的2次、4次和6次谐波成分较明显。

图10

Fig.10

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	图10 电机高频噪声Fig.10 High-frequency noise of motor

综上分析, 可以总结出永磁同步电机主要的激励频率如下:

中低频:f_n=6if_o, i=1, 2, 4;

高频:f_n=n₁f_T± n₂f_o;

n₁=1时, n₂=3, 5; n₁=2时, n₂=2, 4, 6。

3.3.2 座椅振动响应

图11为驾驶员座椅振动的阶次追踪图, 可以看出电机的8阶、12阶、24阶激励比较明显。为了对比匀速和加速时电机激励对驾驶员座椅振动的影响, 对阶次追踪图按速度切片。由于篇幅限制, 只分析车速为80 km/h时两者的差异。

从图12可以看出, 加速和匀速时驾驶员座椅振动的频谱图相差不大, 驾驶员座椅的振动主要来自于低频的路面激励, 主要集中在60 Hz以内。

图11

Fig.11

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	图11 驾驶员座椅振动的阶次追踪图(z向)Fig.11 Order tracking of vibration in driver seat

图12

Fig.12

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	图12 加速和匀速时驾驶员座椅振动(80 km/h)Fig.12 Vibration in driver seat in accelerating and uniform speed under 80 km/h

3.3.3 车内噪声分析

从图13(a)可知, 在2000 Hz以内, 存在9阶、18阶、24阶、48阶噪声。其中, 9阶是后桥主减速器齿轮的啮合噪声, 因为后桥主减速器的主动锥齿轮齿数为9, 传动轴每转动一圈, 就会产生9次啮合冲击, 18阶是齿频的二次谐波。24阶和48阶是电机的电磁噪声, 分别为电流基频的6倍和12倍。

图13

Fig.13

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	图13 驾驶员位置噪声阶次追踪图Fig.13 Order tracking of vibration in driver seat

从图13(b)可以看出, 在高频只存在4000 Hz附近的电磁噪声。与图8相比, 8000 Hz附近的电磁噪声消失。这是由于车身的密封作用, 高频噪声不能传到车内。高次谐波成分为电流基频的3倍, 频率f=4000± 3f_o。

后桥主减速器齿轮参数如下:主、从动锥齿轮齿数分别为9和44; 传动比为4.889。