纯电动汽车动力总成悬置系统隔振性能研究
摘要: 为了研究纯电动汽车动力总成悬置的隔振性能，分别对纯电动汽车和燃油车进行道路试验。采用频谱分析法对比了纯电动车和燃油车的频域特性，结合了悬置隔振率和车内振动响应，明确了悬置刚度对悬置隔振的影响。结果表明：纯电动汽车动力总成产生的振幅小，频率范围广，降低橡胶悬置的刚度对动力总成产生的高频振动隔振效果好，但550 Hz 以下范围内隔振效果较差，同时造成了车内7.5 Hz 以下的低频振动明显。为保证车内乘员舒适性，纯电动汽车动力总成悬置应在满足550 Hz 以下频段隔振的前提下兼顾高频段隔振。关键词: 纯电动汽车；动力总成；悬置；频谱分析；隔振率；刚度随着各国汽车工业的相关政策导向，国内外各大主机厂对以电动汽车为主的新能源汽车发展愈发重视，也使电动汽车的噪声、振动和粗糙度（NVH）性能成为整车研发的一个重要指标。而动力总成悬置系统是连接动力总成和车身的重要部件，在衰减动力总成产生的振动方面有着重要的作用。发动机产生的所有振动都是由连杆传递到整个车身［1］，发动机又是动力总成中主要的振动源。因此，动力总成悬置对于传递动力总成产生的振动起着重要作用。对于纯电动汽车而言，动力总成由传统的内燃机变成了驱动电机，对动力总成悬置的隔振性能产生了影响：① 电机与内燃机的运动方式不同，悬置支架安装形式需改变；② 电机的工作特性使动力总成激起的频率范围改变，悬置需要考虑更宽频带的隔振。国内外学者对燃油车动力总成悬置的研究主要考虑悬置的隔振性对车内振动噪声的影响，并通过所得悬置隔振率来优化悬置的刚度、安装位置等参数，以及针对不同悬置的特性对隔振性能进行优化［2-5］。而目前对纯电动汽车动力总成悬置隔振性能的研究仍停留在针对电磁激励力和悬置的隔振率来确定主要激励源，并改进悬置刚度、安装位置以及悬置支架［6-8］。但纯电动汽车由于电驱动总成的结构和电机的工作特性，使动力总成的隔振性能不仅仅要考虑隔振率，还要考虑不同频段内的隔振效果，并将悬置的隔振效果与车内的振动响应相关联，评价纯电动汽车动力总成悬置的隔振性能。本文通过对比稳态工况和加速工况下纯电动汽车与燃油车的动力总成振动特性，研究了不同频段内纯电动汽车的隔振效果，并分析了悬置刚度对悬置隔振效果的影响以及车内的振动响应，综合评定了纯电动汽车悬置系统应该重点关注的频率范围，为纯电动汽车的动力总成悬置的设计和优化提供了参考方向。纯电动汽车与传统燃油车相比，动力总成由驱动电机替代了内燃机，不仅使动力总成质量降低，其运动方式发生了变化，而且也使传动系统产生了变化。本文对国产的某型燃油车和纯电动汽车进行对比分析，试验所用燃油车的动力装置为直列四缸汽油机，纯电动汽车的动力装置为永磁同步驱动电机，电机定子槽数为48，磁极数为8。动力总成的结构差异如表1 所示。由于驱动电机的工作特性，使纯电动汽车不再需要离合器来切断动力装置与传动系统之间的连接，而是直接将动力装置与传动系统连接在一起。电机和减速器组成的直接齿轮耦合系统虽然可获得较好的加速性能，但同时带来的最大问题就是轴系振动［9］。又因为电动汽车的驱动电机转速范围广，也不再需要多挡位的变速器来调节车速。Li等［10］应用逐级拆卸的方法证明，减差速器是电动汽车驱动系统振动噪声的主要来源。因此，对于纯电动汽车悬置的隔振性能分析，要考虑包括变速器在内的动力总成的振动特性。应用西门子LMS SCADAS 多通道数据采集仪和压电式三向加速度传感器，分别采集燃油车和纯电动汽车3 个悬置主、被动侧和车内响应点在低速稳态工况和加速工况的振动加速度信号，试验工况如表2 所示。传感器布置情况如图1 所示。通过频谱分析，能够清晰地看出采集的振动信号在各个频率下的幅值大小。因此，可以应用频谱分析来明确动力总成振动的主要频率范围。低速稳态工况下燃油车和纯电动车悬置主动端的振动加速度频谱图如图2 所示。由图2 可见：燃油车振幅较大的频率主要集中在2 800 Hz 以下，振幅在0.10g 左右，最大振幅达到0.31g，在2 800~7 400 Hz 范围内有略高的幅值，但与2 800 Hz 以下的幅值相比较小，仅有0.02g；而纯电动汽车在6 000 Hz 频带以内有较大的振幅，振幅在0.05g 左右，最大值达到0.16g，并且在9 500~10 500 Hz 范围内存在较高的振幅，幅值达到了0.10g。由此可见，与燃油车相比，纯电动车振幅略低，振幅较大的频率范围更广。经悬置衰减后的被动端振动加速度的频谱图如图3所示，燃油车振幅较大的频率范围主要在2 000 Hz以下，振幅为0.004g，最大振幅达到了0.030g；而纯电动车则在3 850 Hz以下，振幅较大的频带主要集中在400 Hz 以下，振幅在0.010g 以上，最大振幅达到了0.030g。因此，燃油车和电动车通过橡胶悬置可以大幅度衰减动力总成产生的振动，与燃油车相比，在低速稳态运行工况中，纯电动汽车动力总成被动端的振动在4 00 Hz 以下频带内的振幅更大。加速工况能够反映出车辆的车速变化时汽车的振动特性。加速工况下燃油车和纯电动汽车悬置主动端的频谱图如图4 所示。燃油车在2 500 Hz 以下时，有较大的振幅，在0.25~0.35g之间，最大的振幅值达到了0.55g；2 500~4 400 Hz 频带范围内的振幅略高，在0.05g 附近。而纯电动汽车在3 300 Hz 以下以及6 700~12 450 Hz 的范围内均有较高的振幅，幅值在0.10g 附近，最大值达到0.26g。在加速工况下，纯电动汽车比燃油车的振动范围更广，在2 500 Hz以下时，振幅比燃油车小，在6 000 Hz以上时，纯电动汽车比燃油车的振幅要大。加速工况下悬置被动端频谱图如图5 所示，经悬置衰减后，燃油车较大振幅主要在3 900 Hz 以下，其中主要集中在2 100 Hz 以下的频段内，振幅主要在0.010g 附近；而纯电动汽车则主要集中在3 400 Hz 以下，振幅主要在0.004g 左右。综上所述，燃油车悬置主动端较大振幅的频率主要集中2 800 Hz 以下，在此频段内悬置主动端振幅，燃油车明显高于纯电动汽车；而纯电动车的频率分布较均匀，在12 450 Hz 以内均有较大的振幅，并且纯电动车在6 000 Hz 以上频率范围的振幅要高于燃油车。虽然纯电动汽车的动力总成高频振动明显，应让悬置支架的模态频率避免出现在高频范围内，但高阶模态所占能量比较低，不易被激起。经悬置衰减后，燃油车的较大振幅主要集中2 000 Hz 以下；而电动车则在3 800 Hz 以下，主要集中在400 Hz 以内的频带内。因此，纯电动汽车被动端的支架的模态频率应主要避开400 Hz 以内的频率，以免发生共振造成悬置的隔振性能降低。悬置隔振可以通过隔振率来描述，即通过主、被动端的振动加速度的比值来获得隔振率，用分贝的形式表示如下：式中：T 为隔振率；a1为主动端振动加速度；a2为被动端振动加速度。一般认为隔振率T≥20 dB 时，悬置的隔振效果良好；在要求不高时，T≥15 dB 也认为悬置满足隔振要求。由式（1）可知，T≥20 dB 时，悬置衰减掉了主动端90.00% 的振动；T≥15 dB 时，悬置衰减掉了主动端81.22% 的振动。应用式（1）分别计算加速工况下燃油车和纯电动车的悬置的隔振率。燃油车的部分悬置隔振率如图6 所示，燃油车的悬置在1 000 Hz 以内的频率范围内，除了部分频率，如左悬置Y 方向240 Hz 附近的隔振效果较差以外，其余部分均能满足隔振要求；而对于1 000 Hz 以上的频率范围，还存在部分频率区间隔振效果差的情况，如左悬置Y 方向4 300~7 700 Hz 的范围。因此，对于燃油车而言，在1 000 Hz 以下的频率范围内隔振效果较好，而1 000 Hz 以上的频率范围，存在区间范围的隔振效果较差的情况，所以燃油车的动力总成悬置，要多考虑高频振动的隔振。由频谱分析可知，加速工况下，纯电动汽车动力总成产生的振动频率范围较广，但在2 500 Hz 以下时，幅值比燃油车低。纯电动汽车的悬置隔振率曲线如图7 所示。由隔振率曲线图可得，纯电动汽车的动力总成悬置在高频段的隔振效果较好，基本满足T≥20 dB 的隔振需求，对于部分隔振效果较差的频段内，也基本满足了T≥15 dB，只有个别的频率附近的隔振效果出现了较差的情况，如后悬置Y 方向的2 550 Hz 附近；没有出现较大的区间的隔振效果较差的情况。但在550 Hz 以下的频率区间内均出现了隔振效果较差的情况，并且主要在350 Hz 以下的区间内隔振性较差。对于普通橡胶悬置软垫的悬置系统而言，阻尼一般很小，可以不予考虑［11］。因此，主要考虑橡胶悬置刚度对隔振性能的影响。为了起到良好的隔振的效果，在低频大振幅时，要求悬置有较大的刚度；在高频小振幅时，要有小刚度。对采集的试验数据进行处理，分别拟合出燃油车和纯电动汽车橡胶悬置的动刚度，如图8 所示。由图8 可以明显看出，纯电动汽车动力总成橡胶悬置的的动刚度要明显低于燃油车。并且可以明显看出橡胶悬置的特性，即橡胶件的刚度随着频率的增大而变大，而这与悬置的隔振要求恰好相反。因此，针对纯电动汽车动力总成高频振动明显、振幅较小的特点，将橡胶悬置的刚度整体降低，可以使高频有良好的隔振效果，但却造成了悬置在低频段隔振效果变差问题。动力总成所产生的振动经悬置系统衰减后通过车身结构路径传递至驾驶室内，使车内结构发生振动，进而影响车内驾乘人员的乘坐舒适性。因此，通过在座椅滑轨设置加速度传感器采集车内的振动信号来分析车内的振动响应，经过频谱分析所得车内目标点的频谱图如图9 所示。将车内响应点的频域响应与悬置的隔振效果相结合，综合分析动力总成悬置的隔振性能。由图9 可以得出，座椅滑轨3 个方向在7.8 Hz以上的频段振幅均较小，在7.8 Hz 以内，座椅滑轨3个方向的振幅较明显，并出现了先增后减的趋势，X、Z 方向在1.6 Hz 附近出现峰值，Y 方向在5 Hz 附近出现峰值。而人体对水平方向1~2 Hz 范围内的振动敏感，垂直方向4~8 Hz 的振动敏感。因此，所研究的纯电动汽车动力总成所产生的振动经结构传递至车内后，车内部件振幅较大的频率范围与人体敏感频率范围发生了一定程度重叠，会使车内驾乘人员的乘坐舒适性降低。综上所述，由于纯电动汽车与燃油车的激励源的不同，使得选择的橡胶悬置软垫产生差异，进而造成不同频率下的隔振效果不同。纯电动车的动力装置为驱动电机，随着转速的增加，相比于内燃机的2 阶点火阶次，驱动电机的振动的变化程度没有内燃机剧烈，本文试验用的纯电动汽车驱动电机的磁极数为8，所以在动力总成中，由于驱动电机的8 阶及其谐阶次的电磁振动以及驱动电机的转速范围较高，造成了纯电动汽车动力总成产生的激励在高频段也有较大的振幅。动力总成的低频振动意味着大振幅振动，高频振动意味着小振幅振动，对于隔振控制的问题，尤其要注意50 Hz 以下的频率范围［4，12］。因此，针对纯电动汽车动力总成质量低、振幅小、频率范围高的特点，可以通过降低橡胶悬置的刚度来实现高频段较好的隔振效果，但悬置刚度的降低也造成了纯电动汽车在510 Hz 以下频段内隔振效果变差的问题。并且人体本身对低频振动更加敏感，由于纯电动汽车在510 Hz 以下的隔振效果较差，也造成了传递至车内以后，使驾驶舱内的振幅较明显的频率范围与人体敏感的频率范围有部分重叠，会造成舒适性降低。因此，纯电动汽车的动力总成悬置需要更注重510 Hz 以内，特别是350 Hz 以下频段内的隔振效果。通过对所采集的信号进行频谱分析，计算悬置隔振率，并结合车内响应点振动的频域特性，分析纯电动汽车的隔振性能，可得如下结论：（1）在低速稳态工况和加速工况下2 800 Hz以下的频段内，纯电动汽车的振幅明显低于燃油车；且纯电动汽车动力总成在12 450 Hz 以内的频带内都有明显的振幅，在6 000 Hz 以上的频段内，纯电动汽车动力总成振幅要高于燃油车。（2）加速工况下，大刚度的橡胶悬置使燃油车在1 000 Hz 以内的频率范围内，悬置的隔振效果基本能满足要求；但在1 000 Hz 以上的范围，悬置系统出现了在较大的频率区间内隔振效果下降的现象。纯电动汽车小刚度的橡胶悬置，在高频段内的隔振效果良好，基本满足隔振要求；但在550 Hz 以下，尤其是350 Hz 以内的频段隔振效果差，经车身传递至车内后，使车内7.5 Hz 以下的频段内振动较为明显。综上所述，由于纯电动汽车动力总成产生的激励有幅值小、频带宽的特点，降低橡胶悬置的刚度有利于高频隔振，但会造成车内7.5 Hz 以下的低频振动明显，与人体的敏感频段发生重合，造成乘坐舒适性降低。因此，对于纯电动汽车而言，悬置刚度应该在保证550 Hz 以下频段隔振的前提下，对其进行适当的降低，使低频到高频均有良好的隔振效果。作者单位：（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳110159）免责声明：分享此文仅为传播汽车NVH相关知识，其版权归原作者所有，感谢原作者的辛苦付出；若有侵权异议等请跟我们联系协商或删除，谢谢！
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首次发布时间：2023-04-21
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