新能源清洗車上裝異常作業噪聲優化

李世權,席松濤,王清德,李公哲

(鄭州宇通重工有限公司, 鄭州 451482)

0 引 言

隨著環衛市場化進程的加快,生活垃圾不斷增多,“藍天保衛戰”進入快車道,而環衛車作為其中重要的一環,市場需求逐年遞增。環衛新能源化是未來發展的趨勢,電動車普遍沒有發動機與渦輪增壓器等高噪聲寬頻帶聲源,使電驅動系統噪聲缺乏遮蔽而更為凸顯。隨著人們對環衛車輛NVH性能的要求越來越高,整車作業噪聲特性成為衡量整車性能的重要指標,電驅動系統作為電動車輛主要的噪聲源之一,受到了越來越多的關注。

1 噪聲問題

新能源清洗車上裝作業機構主要為低壓水路,某款車型新能源采用獨立上裝電機通過傳動軸驅動低壓水泵形式為低壓水路提供動力。

該車型某批次整車調試出現上裝作業噪聲異常問題,通過對該批次訂單車輛進行摸底排查發現,位于車輛右側的低壓水泵作業時,所有車輛右側上裝工作平臺處均出現不同程度振響,部分車輛駕駛室區域出現異常噪聲,影響駕駛員體驗。上裝電機轉速處于900～1 200 r/min時,發生異常噪聲。

通過實車跟蹤觀察,異常噪聲包含兩部分:①電機、控制器護罩封板與加強筋碰撞“嗒嗒”聲,車輛左側上裝電機、控制器外圍護罩與工作臺加強筋間距較小,護罩為薄壁件,在右側上裝電機以900～1 200 r/min轉速工作時,系統發生振動,導致護罩與加強筋撞擊,發出“嗒嗒”聲;②工作臺振動聲音,低壓水泵以900～1 200 r/min轉速工作時,車輛左右兩側工作臺均表現出明顯振感,由此發出異常噪聲,經驗證,右側上裝電機工作轉速由低到高、由高到低時,均有異常噪聲。針對噪聲①,使用減振膠墊隔離振動,“嗒嗒”聲消失,本文著重介紹噪聲②的分析排查。

2 整車基本情況

2.1 電機及水泵安裝環境

低壓水泵剛性安裝于右側工作臺,由上裝電機通過傳動軸直接驅動,速比1∶1,傳動軸兩端配備萬向節,上裝電機通過V形懸置腳墊安裝于工作臺,工作臺為L形,并由螺栓固定于車架縱梁,L形工作臺底部配備橫向支撐筋提升結構剛度,L形工作臺兩端配有斜向加強筋,上裝結構如圖1所示。

圖1 工作臺安裝示意圖

上述裝置位于底盤車架外側,外沿無大型結構遮擋削弱作業噪聲,作業機構出現噪聲異常時將直接影響NVH性能和噪聲主觀評價。

2.2 電機基本參數

該車型低壓水泵電機為永磁交流同步電機,永磁體為V形,冷卻方式為水冷,電機主要設計參數如表1所示,電機拓撲圖如圖2所示。

表1 電機基本參數

圖2 定轉子拓撲圖

低壓水泵電機作為作業時整車主要噪聲源,外側無結構件遮蔽,應為分析作業異常噪聲的首選目標。

2.3 低壓水泵主要參數

低壓水泵自帶一級升速齒輪,齒數分別為45、19,低壓水泵為雙葉片,葉片片數為6。以水泵輸入轉速為基準,振動階次包含:一級齒輪45階、葉片14.2階(45/19*6)。

3 電機噪聲

根據產生機理,電機噪聲大致分為電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。

(1)電磁噪聲

電機磁場周期性隨空間變化,引起電磁力,電磁力主要分為徑向電磁力和切向電磁力。徑向電磁力引起定子鐵心徑向振動和變形,切向電磁力引起定子齒部相對于軛部產生彎曲變形振動,徑向振動變形為電磁噪聲的主要貢獻,切向變形振動為次要貢獻。定子鐵心與機殼采用過盈剛性配合時,定子鐵心振動通過機殼傳播至周圍空氣,振動可被感知,產生電磁噪聲,電磁噪聲頻率與電流基頻及諧波頻率相關。

(2)機械噪聲

轉子動平衡差時,轉子質心偏心會引起噪聲,其頻率為轉子轉頻或其倍數頻率。軸承磨損可以引起振動噪聲,主要包含滾珠與內圈、滾珠與外圈的摩擦,內圈的旋轉頻率,保持架的特征頻率。機械噪聲與轉子轉頻有特定的階次對應關系。

(3)空氣動力噪聲

電機的空氣動力噪聲主要有不規則轉子表面高速摩擦定子內腔氣體、鐵心通風道、散熱風扇引起。本案例中低壓水泵電機為水冷永磁同步電機,轉子永磁體為內插式,轉子表面光滑,空氣動力噪聲對整機貢獻占比較少。

根據低壓水泵電機主要噪聲類別,該電機72槽16極,轉子對中時,電機振動階次包含[1-6]:轉子動平衡、偏心,1階、2階振動;電磁力諧波,16階及其倍頻;齒槽轉矩,LCM(極數、齒數)階及其倍頻;控制器高頻載波,開關頻率。

根據供應商以往質量表現,電機轉子不對中時,存在8階振動可能性的概率較低。電機軸承配置為6309+6307,其內外圈振動階次分別為4.95,3.05和4.93,3.07。

4 原因分析

4.1 初步分析

電機與低壓水泵以1 000 r/min運行,使用LMS數據采集器對作業裝置附近噪聲進行測試,經頻譜分析發現頻率為66.6 Hz分量異常,嗓聲幅值偏大,如圖3所示。

圖3 轉速1 000 r/min噪聲頻譜

電機與低壓水泵轉速以1 000 r/min穩定運行時,水路負載不變,電機輸出轉速、轉矩波動小,可視為恒定負載。此時,電機與低壓水泵轉頻為16.6 Hz(1 000/60),異常頻率為66.6 Hz,階次為4。

上述電機、水泵階次均與此次發生異常的4階階次不同,初步分析無法鎖定異常噪聲來源。

4.2 再溯源

橫向對比同平臺另一臺車輛,對比車輛使用與問題車型相同的電機、低壓水泵,水路配置也相同,兩款車型僅電機控制器不同,對比車輛在900～1 200 r/min作業時無異常振動噪聲。

再次使用LMS數據采集器對問題車輛上裝平臺不同位置進行振動三向振動加速度數據測試,檢測點包括電機安裝座、電機端部、低壓水泵升速箱,測量數據經頻譜分析分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 轉速1 000 r/min電機安裝座振動頻譜

圖5 轉速1 000 r/min電機端部振動頻譜

圖6 轉速1 000 r/min低壓水泵升速箱振動頻譜

通過振動頻譜分析,電機本體及安裝座均存在66.6 Hz及其諧波的異常振動分量,階次為4階,與噪聲頻率相同,低壓水泵端振動正常,推測4階振動來源于電機側。拆除水泵及傳動軸,低壓水泵電機無負載旋轉,電機轉速1 000 r/min,對電機安裝座、端部進行空載振動測試,發現電機66.6 Hz及其諧波分量異常,鎖定4階異常噪聲來源于電機本體。

更進一步采用示波器設備對電機輸入側電流采樣,采樣周期為1 s,采樣時電機轉速為1 000 r/min,電流波形如圖7所示,三相線電流不均勻,波形畸變明顯。經MATLAB進行傅里葉分解,諧波含量如圖8所示,此時電機轉頻為16.66 Hz,電流基頻為133.33 Hz,電機輸入電流含有明顯頻率為61.54 Hz、71.79 Hz、194.9 Hz以及205.1 Hz等電流異常諧波分量。61.54 Hz、71.79 Hz諧波分量對應頻率為66.65 Hz,為電流基頻的一半,與4階振動對應,由此判定工作臺振動激勵主要來自電機控制電流的異常諧波分量。優化電流波形減小諧波含量,即可消除該噪聲問題[7-10]。

圖7 轉速1 000 r/min電機輸入電流波形

圖8 轉速1 000 r/min電機輸入電流頻譜分析

4.3 問題解決

控制器輸出波形畸變,屬于控制缺陷問題,通過優化程序策略后,三相電流波形基本平衡,如圖9所示,無明顯畸變。此時電流異常分量66.65 Hz削弱明顯,如圖10所示。

圖9 轉速1 000 r/min優化后電機輸入電流波形

圖10 轉速1 000 r/min優化后電機輸入電流頻譜

控制器程序優化后,實車測試電機振動,并經頻譜分析驗證,4階振動幅值已無明顯異常,如圖11、圖12所示,整車噪聲恢復正常。取消減振膠墊后,噪聲①也已消除,工作臺及護罩恢復標準狀態,取消封板與支撐筋之間的減振膠墊。全轉速范圍內復測,未出現異常噪聲,問題得以解決。

圖11 轉速1 200 r/min優化后電機端部振動頻譜

圖12 轉速1 200 r/min優化后電機安裝座振動頻譜

5 結 語

面對產品實際問題,通過實車狀態對比分析,使用LMS數據采集器實車測試水泵、水泵升速箱、電機振動和噪聲數據,根據傅里葉分解鎖定異常噪聲階次,排除電機、低壓水泵自身結構固有階次。結合示波器的輸入電流采樣,發現三相電流不平衡,經過分析發現電流諧波存在異常。經過對電機控制器控制策略優化,消除異常階次,三相電流趨于平衡,作業異常噪聲消除。本文驗證了基于MATLAB頻譜分析對整車異常噪聲進行分析定位的準確性,為新能源環衛車輛異常噪聲排查過程提供參考。