复合材料对电动汽车振动噪声的优化研究.pdf

实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期复合材料对电动汽车振动噪声的优化研究李沁逸1，2，张希1，王鹏宇1，陈益庆1，2，李有通1，2（1.广安职业技术学院 智能制造与汽车工程学院，四川 广安 638000；2.广安职业技术学院 装备制造应用技术协同创新中心，四川 广安 638000）随着汽车工业的发展，人们对汽车的要求早已不仅仅是实现基本的运输功能，而越来越追求更舒适的驾乘体验1-3。为了实现更好的驾乘体验，汽车振动噪声的控制就显得尤为重要4-5。新能源汽车以电驱动系统取代了内燃机汽车的变速箱与发动机，两者有着完全不同的振动噪声特性6-8。近年来，针对新能源汽车的振动噪声问题，海内外学者做了很多研究。马敬等9对某纯电动汽车驱动系统 24 阶振动噪声进行了分析与优化，提出了扭矩优化的详细方案，有效地降低了低速工况下电机系统的 24 阶振动噪声。赵敏等10对某新能源汽车电驱总成噪声进行优化，采用基于试验与 CAE 分析相结合的方法，通过采用对激励源优化、控制策略调试、传递路径优化和加声学包隔阻等措施，显著地降低了电驱总成在各工况的噪声。然而，目前大多数研究人员将重心放在了新能源汽车振动噪声问题的原因和产生机制等方面11。在研究振动噪声问题时很少考虑传递路径，这是一个存在的问题，应该引起研究者们的关注和重视。目前研究者的一些研究成果表明，复合材料在抑制振动噪声等方面具有比较出色的性能。在军工、家居等行业目前已经有应用与研究。高龙等12对阻尼复合材料板的减振降噪机理做了系统阐述，并将其应用于电机总成的减振降噪，台架测试数据表明使用阻尼复合材料具有不错的减振降噪效果。李涛等13从减振降噪机理的角度对减振板材做了深入分析，并将其应用于大型船舶的噪声控制，取得了十分显著的降噪效果。目前，对于电动汽车电驱总成的减振降噪研究在工程上还很少见复合材料的批量应用案例。本文首先对电动汽车振动噪声的产生机理及传递路径进行分析，然后对某复合材料的减振降噪机理进行深入研究，并将其应用于电驱总成控制器上盖板。1振动噪声产生机理电动汽车电驱总成是车内振动噪声的主要来源，其主要由减速器、电机控制器、电机等组成。电驱总成的振动噪声主要由 3 部分组成，由电机控制器开关器件非线性特性导致的电磁开关噪声，减速器齿轮啮合基金项目：广安职业技术学院校级科研项目（GAZYKY-2022A02）；广安市科技创新指导性计划项目（2022zdxjh09）第一作者简介：李沁逸（1990-），男，博士研究生，讲师。研究方向为新能源汽车技术。摘要：为优化某电动汽车的振动噪声性能，该文着重分析用阻尼复合材料代替电驱总成原有的 ADC12 材料控制器盖板的可行性和有效性。试验研究表明，更换阻尼复合材料盖板后，该电动汽车车内 22 阶噪声在部分频率段降低 3 dB（A）左右，48 阶噪声在部分频率段降低 10 dB（A）左右。因此，选用新型复合材料来降低新能源汽车的振动噪声是一种有效措施。关键词：复合材料；电动汽车；振动噪声；优化；控制器盖板中图分类号院U469.72文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00苑员-0源Abstract:In order to optimize the vibration and noise performance of an electric vehicle,this paper focuses on the feasibilityand effectiveness of replacing the original ADC12 material controller cover plate of the electric drive assembly.The experimentalstudy shows that after the replacement of the damping composite cover plate,the noise of order 22 is reduced by about 3 dB(A)in the partial frequency segment,and the noise of order 48 decreases by about 10 dB(A)in the partial frequency segments.Therefore,it is an effective measure to choose new composite materials to reduce the vibration and noise of new energy vehicles.Keywords:composite materials;electric vehicle;vibration and noise;optimization;controller cover plateDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.01871-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application产生的机械噪声，电机电磁激励导致的电磁振动噪声。电驱总成振动噪声主要有 2 条传递路径，一是通过电驱系统金属外壳向外辐射振动能量，最终声音经空气传递给车内乘员；另一条是经与电驱系统连接的金属支架，再通过整车悬置及车身附件传递到车内。对于电机控制器而言，其用金属制造的上盖板与整个电驱系统的部件相比是最为薄弱的位置，因此其固有模态频率较低，是电驱系统主要向外面辐射振动能量的部件。行业内常采用价格低廉的 ADC12 材料来铸造电机控制器上盖板。但是 ADC12 材料对振动能量的传递衰减较小，减振降噪效果并不理想。随着新能源汽车产业和行业对电动汽车电驱系统振动噪声和功率密度等指标的不断提高，现在使用的 ADC12 铝合金材料已经不能够满足新能源汽车的电驱动系统减振降噪新要求。2复合材料电驱总成应用约束阻尼复合材料控制器上盖板的电驱总成如图 1 所示。新盖板与原 ADC12材料盖板厚度都为 3mm。图 1复合材料盖板电驱总成阻尼复合结构板材通常分为约束性阻尼结构和自由阻尼结构，其通过金属材料与阻尼材料组合形成新的复合结构在一定程度上来提高最终材料的整体阻尼效果。自由阻尼结构是指直接在振动结构材料上涂覆一层具有较大损耗模量的阻尼材料，以实现降低振动噪声的目的。在自由阻尼结构材料表面加上一层具有较高模量的金属板材，就形成了约束阻尼结构。图 2 为阻尼复合结构板材示意图。当用阻尼复合结构材料制造的电驱动系统的上盖板产生弯曲振动时，所产生的振动能量可以迅速传递到牢固地涂覆在板上表面的阻尼材料上，从而造成阻尼材料与基体材料两者之间的相互摩擦和错动，因此就会不断地拉伸和压缩填充在其之间的阻尼材料。振动时阻尼材料会产生比较大的内部损耗，基体板材在振动过程中产生的能量基本上就转化为热能释放在空气中，这样有效降低了基体板材的振动。另外，当约束阻尼结构在产生振动时，阻尼层和约束层都会被拉伸，使其变得更长。但是约束层被拉伸的长度与阻尼层相比较要远远小于其长度。因此约束层可以限制阻尼层的伸长量。当阻尼层被压缩时，约束层会抑制阻尼层的变形压缩，从而就会形成一种除压缩拉伸变形以外的剪切变形。这种变形能够大大增加振动能量的消耗，从而使得减振效果得到显著提升。因此，从理论上来说，约束阻尼复合结构板材相比于一般的金属材料，在减缓振动方面具有更好的效果12。注：淤高分子阻尼复合材料；于金属板材。图 2阻尼复合结构板材示意图3整车测试研究本文选取一款新能源汽车电驱动系统作为研究对象，该电驱动系统峰值功率为 150 kW，采用 8 极 48 槽的永磁同步电机，搭载输入轴 22 齿，总速比为 10.89的单挡二级减速器。把该电驱总成装车测试，在车内驾驶员右耳位置安装麦克风采集车内声音信号。驾驶员右耳麦克风安装位置如图 3 所示。图 3驾驶员右耳麦克风安装位置为了更直观地评价电驱总成的振动噪声水平，选择在整车上测试全电门加速工况车内噪声。分别测试ADC12 材料上盖板和复合材料上盖板 2 种状态的电驱动系统车内各 3 组噪声数据，选取干扰较小的各一组测试数据进行对比分析。ADC12 材料上盖板电驱总成车内噪声频谱如图 4所示。弯曲振动淤淤72-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期盖板类型 噪声/dB（A）噪声均方根值（RMS）/dB（A）1 200/(rmin-1)6 000/(rmin-1)ADC12 盖板 28.14 36.04 42.44 复合材料盖板 26.45 38.17 39.80 10 000.000.000.0060.001.000.00转速/（r min-1）复合材料盖板ADC12 盖板1 200.006 000.00图 4ADC12 材料盖板噪声频谱从图 4 可以看出，在 1 200 Hz 频率以内存在明显的共振带。减速器 22 阶噪声在转速 1 00010 000 r/min能量较大，对应频率区间在 3503 600 Hz 左右。电机48 阶噪声在低速段 8003 000 r/min 能量较大，对应频率范围在 6402 400 Hz 左右。复合材料上盖板车内噪声频谱如图 5 所示。从图 5 可以看出，换复合材料盖板后原 1 200 Hz以内的共振带消失。减速器 22 阶噪声能量在转速1 0006 000 r/min 较 ADC12 材料盖板有所改善；电机48 阶噪声在低速段 8003 000 r/min 较 ADC12 材料盖板明显改善。为了更清晰地对比 2 种材料盖板电驱总成的振动噪声水平，把 2 种材料盖板测试的车内噪声频谱图的减速器 22 阶和电机 48 阶做阶次切片分析比较，减速器 22 阶阶次线对比如图 6 和表 1 所示，电机 48 阶阶次线对比如图 7 和表 2 所示。图 5复合材料盖板噪声频谱从图 6 和表 1 可以看出，ADC12 材料盖板状态电 驱总成车内驾驶员右 耳 22 阶噪 声在 1 2006 000r/min 的 RMS（噪声均方根值）值达到 42.44dB（A），复合材料盖板电驱总成车内驾驶员右耳 22 阶噪声在1 2006 000 r/min 的 RMS 值为 39.8 dB（A）。复合材料盖板较ADC12 材料盖板 22 阶车内噪声在该转速段减少了3 dB（A）左右。不过，复合材料盖板较 ADC12材料盖板 22 阶车内噪声在 6 000 r/min 以上转速段无明显改善。换上复合材料盖板后，车内 22 阶噪声在 6 000 r/min 以内多个能量峰值点消失，这是因为换上复合材料盖板后，多个模态共振点消失，从而减弱了振动能量，进而减小了经盖板辐射的噪声能量。图 6减速器 22 阶对比表 1减速器 22 阶对比数据10 000.0050.000.0010 000.000.00频率/Hz0.0048.0022.0010 000.0050.000.0010 000.000.00频率/Hz0.0048.0022.00从图7和表2可以看出，ADC12材料盖板状态电驱总成车内驾驶员右耳 48 阶噪声能量在 8002 900 r/min的 RMS 值达到 33.21 dB（A），复合材料盖板状态电驱总成车内驾驶员右耳 48 阶噪声能量在 8002 900 r/min73-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application10 000.000.000.0050.001.000.00转速/（r min-1）复合材料盖板ADC12 盖板800.002 900.00的RMS 值仅为 23.56 dB（A）。复合材料盖板较 ADC12材料盖板 48 阶噪声能量在该转速段减少了 10 dB（A）左右，降噪效果明显。但复合材料盖板较 ADC12 材料盖板 48 阶噪声能量在 2 900 r/min 以上转速段无明显改善，且整体能量略有增大。换上复合材料盖板后，48阶噪声能量在 2 900 r/min 以内多个峰值点能量下降，这主要是因为换上复合材料盖后，2 000 Hz 频率以内多个共振点消失，盖板振动减弱，从而通过盖板对外辐射的噪声能量减小。通过以上测试数据分析可知，复合材料上盖板较ADC12 材料上盖板有较好的减振降噪效果，其减振降噪频率范围主要为中低频段 6002 500 Hz 左右。图 7电机 48 阶对比4结论本文系统分析了电动汽车的振动噪声能量传递路径，并针对一款在研电动汽车的振动噪声问题，从噪声传递路径方向，选用一种阻尼复合材料盖板代替原ADC12 材料盖板。车内噪声测试结果显示，复合材料上盖板对降低车内中低频率段噪声有较好的效果，车内 22 阶噪声在该频率段降低了 3 dB（A）左右，车内 48阶噪声在这个频率段降低了 10 dB（A）左右。而且因为复合材料上盖板改变了原来的模态频率，与 ADC12 材料盖板相比较，使用复合材料的盖板使在 2 000 Hz 频率以内多个共振点消失，进而使车内该频率段对应的噪声能量也明显减弱。因此，选用新型复合材料来降低新能源汽车的振动噪声是一种有效的措施。参考文献院1 李沁逸，李俊泓，刘嘉林，等.电动汽车减速器 NVH 仿真研究与优化J.机械传动，2022，46（2）：107-113.2 马琮淦，左曙光，何吕昌，等.声子晶体与轮边驱动电动汽车振动噪声控制J.材料导报，2011，25（15）：4-8.3 李全峰，刘世昌.运行工况下电动汽车内置式永磁同步电机振动噪声源识别J.噪声与振动控制，2022，42（5）：194-199.4 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