經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) NVH 優(yōu)化技術(shù)取得了極大的進(jìn)步。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) NVH 性能直接關(guān)系純電動(dòng)汽車整車性能，是影響整車 NVH 的重要因素，其優(yōu)劣是考量汽車質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車行業(yè)現(xiàn)階段發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容。
一、純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成 NVH 性能影響因素
在我國(guó)，純電動(dòng)汽車的發(fā)展速度是非常快的，已經(jīng)涌現(xiàn)了一批具有世界影響力的優(yōu)秀企業(yè)，但是由于發(fā)展時(shí)間尚短，在純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成的 NVH 性能方面仍然有很多技術(shù)難題需要持續(xù)努力，不斷攻關(guān)。下面對(duì)影響電驅(qū)動(dòng)總成 NVH 性能的因素進(jìn)行分析。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲：驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電驅(qū)動(dòng)總成的核心組成部分。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，影響其振動(dòng)噪聲的主要因素是電機(jī)的徑向電磁力、齒槽轉(zhuǎn)矩等。因此，需要通過改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)來達(dá)到降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲的目的。
減速器振動(dòng)噪聲：純電動(dòng)汽車噪聲的主要來源之一是減速器的嘯叫噪聲。該類型的噪聲主要是由減速器齒輪嚙合傳動(dòng)引起的。與之關(guān)系較大的參數(shù)主要有齒頂、齒形鼓形、壓力角、齒向鼓形、螺旋角和生產(chǎn)精度等。
電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和控制器高度集成化組成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而電驅(qū)動(dòng)總成內(nèi)部的電機(jī)及減速器都是噪聲源，電機(jī)和減速器的耦合使二者相互作用，所以電驅(qū)動(dòng)總成的振動(dòng)噪聲情況是錯(cuò)綜復(fù)雜的。要想減小電驅(qū)動(dòng)總成的噪聲，改善純電動(dòng)汽車的 NVH 性能，提升純電動(dòng)汽車的駕乘體驗(yàn)感，需進(jìn)一步對(duì)此進(jìn)行深入研究。
傳統(tǒng)電機(jī)受到徑向電磁力的影響，這是其振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)。減速器是電驅(qū)動(dòng)總成的核心零部件之一，這就會(huì)造成電機(jī)和減速器的耦合作用。此時(shí)，減速器的沖擊載荷更多受到了電機(jī)的切向電磁力影響。在電驅(qū)動(dòng)總成內(nèi)部多個(gè)噪聲源的相互影響下，對(duì)其振動(dòng)源及噪聲源的研究難度較大。在這種情況下，分別研究電磁激勵(lì)及機(jī)械激勵(lì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成的影響難度相對(duì)較小，而研究電磁激勵(lì)和機(jī)械激勵(lì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成噪聲的綜合影響是比較困難的。
二、純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成 NVH 性能優(yōu)化思路
驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲方面：驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器是電驅(qū)動(dòng)總成的兩大噪聲源。首先，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)展開研究。本次分析以某新能源汽車廠商所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)是 8 極 48 槽內(nèi)置式三相永磁同步電機(jī)。隙磁場(chǎng)的主要通道是定子與轉(zhuǎn)子鐵心，所以造成電機(jī)鐵心、殼體振動(dòng)的主要因素是電機(jī)徑向電磁力。齒槽轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的本質(zhì)屬性，只要電機(jī)的定子齒槽存在，齒槽轉(zhuǎn)矩就不可能沒有，只能盡最大努力降低。齒槽轉(zhuǎn)矩造成的振動(dòng)與噪聲，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，進(jìn)而使得電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生波動(dòng)。此外，齒槽轉(zhuǎn)矩也有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生不良影響。
氣隙磁通與定子繞組中的電流相互作用而形成電磁轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)中有多相電流并存，所以電磁轉(zhuǎn)矩在電機(jī)中是一個(gè)復(fù)雜的多項(xiàng)綜合體。因此，在對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析的過程中，通常認(rèn)為電機(jī)的磁路并未飽和，而且電樞反應(yīng)也是不會(huì)產(chǎn)生影響的。
減速器振動(dòng)噪聲方面：在傳統(tǒng)汽車中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲對(duì)其他噪聲起到了一定的掩蔽作用，其他噪聲并不明顯。而在純電動(dòng)汽車中，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的減速器齒輪嘯叫就達(dá)到了非常明顯的地步，對(duì)于駕乘體驗(yàn)感的影響是很大的。
二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)是減速器常用的形式，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速范圍很寬，所以簡(jiǎn)單的傳送比就能夠滿足減速器的使用要求，而導(dǎo)致減速器振動(dòng)噪聲過大的主要原因就是運(yùn)行時(shí)輪齒之間的沖擊載荷。減速器在運(yùn)行工況時(shí)，齒輪副在嚙入及嚙出過程中會(huì)產(chǎn)生齒輪沖擊激勵(lì)，而齒輪沖擊激勵(lì)在傳播過程中是無法避免的。因?yàn)檎`差等客觀因素存在，無論是嚙入還是嚙出沖擊，都是在嚙合過程中齒輪的嚙合點(diǎn)并未與理論嚙合點(diǎn)完全相同造成的。無論是在生產(chǎn)制造還是在安裝調(diào)試時(shí)，誤差是不可避免的。同時(shí)，在齒輪傳動(dòng)時(shí)，輪齒形變也會(huì)造成齒輪嚙合位置的偏移。
電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲方面：電驅(qū)動(dòng)總成以驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器等為主要構(gòu)件，加上諸多其他零部件組成一個(gè)整體。因此，一定的自由度振動(dòng)是不可避免的。在分析過程中，需要綜合考慮質(zhì)量、阻尼、剛度及位移等眾多技術(shù)參數(shù)的影響。
電驅(qū)動(dòng)總成的殼體結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)于仿真模擬分析來說工作量過大。因此，在搭建電驅(qū)動(dòng)總成有限元模型的過程中，需要進(jìn)行科學(xué)精簡(jiǎn)，有必要將影響較小的部分散熱片、倒角、螺紋孔等忽略掉。同時(shí)，對(duì)于電機(jī)定子來說，其鐵心是由很多薄的硅鋼片疊壓而成的，雖然并不是一個(gè)整體，但是為了研究的方便，仍將定子鐵心當(dāng)作一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。
在理論分析中，電機(jī)轉(zhuǎn)子所受的電磁力幾乎可以忽略不計(jì)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)子通常由剛性較大的材料制成，所以在對(duì)電機(jī)模態(tài)的分析過程中，允許忽略轉(zhuǎn)子對(duì)結(jié)果的影響，只對(duì)定子鐵心及殼體進(jìn)行分析即可。當(dāng)模態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將定子沒有發(fā)生形變的地方稱為節(jié)點(diǎn)或波節(jié)，將其最大變形值處稱為波腹。模態(tài)不同時(shí)，節(jié)點(diǎn)位置也千差萬別。電機(jī)的定子鐵心是圓柱結(jié)構(gòu)，因此以徑向和軸向節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)定子的空間模態(tài)進(jìn)行表示是比較恰當(dāng)?shù)?。同時(shí)，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子鐵心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以會(huì)有模態(tài)振型相同、頻率相近的狀況出現(xiàn)。而驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子與電驅(qū)動(dòng)總成殼體的原材料不同，結(jié)構(gòu)上的差異也很大。因此，定子與電機(jī)殼體處的模態(tài)頻率區(qū)別也是很大的。這主要表現(xiàn)在，一旦定子與電驅(qū)動(dòng)總成殼體耦合，其各階模態(tài)的頻率都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。
三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化
驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型分析：V 型內(nèi)置 8 槽 48 極永磁同步電機(jī)是本文所述電驅(qū)動(dòng)總成的電機(jī)。在該類型電機(jī)中，永磁體內(nèi)嵌在電機(jī)轉(zhuǎn)子上。該形式的永磁體與表貼式電機(jī)相比，配置的永磁體更多。該形式不僅有利于提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出密度，而且牢固、可靠程度更高。因此，在現(xiàn)代化工業(yè)中，該類型電機(jī)的應(yīng)用范圍越來越寬廣。
影響電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的因素主要有永磁同步電機(jī)的徑向電磁力、齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。因此，很多研究人員想要通過減小徑向電磁力、電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法來減小電機(jī)的振動(dòng)噪聲。然而這個(gè)過程通常會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩的降低，因此并未起到有效的作用。一些研究人員想通過對(duì)電機(jī)徑向電磁力、齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)進(jìn)行改良，降低電機(jī)振動(dòng)噪聲，但是又很可能會(huì)造成其他一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)噪聲的提升，并未真正提升電機(jī)的綜合性能。
在這種情況下，要想使電機(jī)的綜合性能得到提升，減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁力導(dǎo)致的振動(dòng)噪聲，就要對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩、徑向電磁力、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等多個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。在轉(zhuǎn)矩沒有明顯降低的基礎(chǔ)上，改善電機(jī)的轉(zhuǎn)子，以降低徑向電磁力、齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)帶來的影響。
該類型電機(jī)出現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩是由于永磁體和電機(jī)有槽電樞鐵心之間的相互作用。同時(shí)，要想使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩變大，通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的隔磁橋，利用限制永磁體漏磁的方式也有一定的效果。對(duì)隔磁橋、磁極夾角、磁極極弧角度和磁極厚度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠通過電機(jī)徑向電磁力、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等影響電機(jī)振動(dòng)噪聲的因素控制噪聲。
電機(jī)轉(zhuǎn)子及磁極優(yōu)化：因?yàn)楸狙芯恐饕菍?duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的變量進(jìn)行改善，而且所有變量受多種因素的影響，所以如果通過窮舉法進(jìn)行分析，需要經(jīng)過多次的試驗(yàn)和檢測(cè)，工作量過大、效率過低。因此，本次研究采用 Taguchi 正交試驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證，按照以下流程對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化(圖 1)。
四、減速器結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化
二級(jí)減速器齒輪是本文所研究的減速器齒輪。減速器齒輪主要由 3 種齒輪組成，即輸入軸齒輪、中間軸齒輪和減速器齒輪。電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接輸入軸，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩直接傳遞給減速器。其一級(jí)減速是利用輸入軸齒輪和中間軸大齒輪嚙合傳動(dòng)的方式來進(jìn)行的。二級(jí)減速是借助中間軸小齒輪和輸出軸齒輪嚙合進(jìn)行的。兩次減速后減速器的減速增扭效果明顯增強(qiáng)。
在齒輪副運(yùn)行過程中，輪齒的作用類似于懸臂梁。在齒輪嚙合過程中，彈性變形是不可避免的，而且齒輪在制造及裝配過程中的誤差也是不可避免的，所以齒輪嚙合的精度會(huì)受到一定程度的影響。因此，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪副的實(shí)際嚙合線與理論值會(huì)出現(xiàn)不一致的情況，由此導(dǎo)致的嚙合干涉會(huì)使沖擊更加嚴(yán)重。因此，對(duì)齒輪進(jìn)行修形是必須做的工作。對(duì)輪齒進(jìn)行修形處理，能夠使齒輪接觸強(qiáng)度及嚙合精度提高，從而使齒輪嚙合導(dǎo)致的沖擊載荷減小。此外，齒輪系的傳遞誤差也是不可避免的，也會(huì)使振動(dòng)沖擊變大。而通過輪齒修形，減速器齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性會(huì)增強(qiáng)，齒輪的傳遞誤差也會(huì)因此而減小。
五、結(jié)束語
電磁振動(dòng)是純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源。電驅(qū)動(dòng)總成組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲激勵(lì)源也來自多方面。因此，對(duì)純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成 NVH 性能的研究現(xiàn)狀及優(yōu)化方式進(jìn)行探討，以期能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)人士帶來一定的借鑒。
參考文獻(xiàn)略.