基于半消音室，三电机NVH试验台，分析新能源汽车驱动系统 NVH 试验

互推小编 2024-03-02

文/勇哥

前言

噪声、振动与声振粗糙度是衡量汽车舒适性的关键指标。整车大约有30%的故障问题和NVH有关，汽车企业近20%的研发经费用于解决相关问题。与传统燃油汽车相比，缺少发动机噪声的掩蔽效应，电机、电控及减速器等驱动系统引起的NVH问题更复杂。

汽车驱动系统NVH特性的试验主要分为台架试验和实车道路试验。实车道路试验是针对整车层面的NVH问题，主要在研发后期进行，其试验和分析难度更大、成本更高。而NVH台架试验主要运用于设计阶段，适合研究产生机理及指导仿真分析，更具针对性。因此，建立符合试验规范要求的试验台架，通过试验获得驱动系统的NVH特性极其重要。

针对NVH试验台的声场特性、设计及评价方法，国内外学者已经做了一定程度的研究。其中，2003年StephenKatz等提出了NVH试验台的设计方案，重点阐述了声场环境的设计和试验台的构造。

2011年JaegonYoo等研究了高动态NVH试验台，并且通过理论分析和试验，验证了试验台的性能。2014年重庆理工大学许传贺等研究基于半消音室的NVH试验台的声场特性，建立了一套NVH试验台声场分析及评价的方法。

本文重点介绍了基于半消音室的三电机NVH试验台的台架设计、控制系统、测试系统等技术，对影响测试的本底噪声进行优化，并通过试验验证了试验台架符合设计要求。

NVH试验要求

汽车产业正朝着电动化、智能化、网联化的方向快速推进，汽车尾气排放、EMC、汽车安全、NVH等汽车测试领域的测试系统正在逐步完善。目前，针对汽车驱动系统的振动、噪声问题的标准较少。

GB/T6404.1－2005对指定场合提出使用低噪声驱动和制动装置、隔离齿轮装置和地基之间结构传播的噪声和避免机械共振等。在QC/T1132－2020中指定，声压级测量应在半消声室内进行，要求背景噪声的平均声压级与待测样品的平均声压级的差值必须满足相关要求。

可见，研究要着重于隔断外界的振动噪声，并降低测试环境的背景要求。“多用途”是指需要满足电机、减速器等相关标准中性能测试项目对台架的要求;“低噪声”指需要降低台架自身运转引入的背景噪声，最高速运转时，背景噪声不高于65dB(A);“高转速”是指驱动电机的转速高于12000r/min;

“可变形”指台架需要灵活的调节机构，适用于不同的中心距、转速、扭矩和结构及种类的汽车驱动系统;“高精度”是指台架的控制精度和测试精度应达到标准要求。

试验平台设计

2.1总体结构

试验台的主要组成部分为测试声场环境(半消音室)、台架本体、台架界面、控制系统和测试系统五个部分，整体结构示意如图1所示。

试验台的主体部分(驱动电机)置于半消音室内，两台负载电机均位于消声室外的独立房间中。

半消音室通过外墙基建隔音、内部吸音与隔振气囊，实现台架和外部环境的振动噪声隔离。台架设置了调节机构，可从三个方向对样品的安装位置进行调节。试验台具备减速器(含混动变速器)、动力总成测试、高速驱动电机三大类被试件测试的兼容性。

在台架机械安装和软件功能上可以做到任意切换。为了节省能源、降低使用成本，采用三电机电网反馈的模式进行整体搭建，并实施集中控制。

2.2试验平台本体结构

本试验台为三电机台架，如图2所示，主要参数如表1所示。

其中一个电机为主电机，用于样品的驱动，另外两个电机为负载电机，主要模拟负载。三台电机均可用作电动机，也可用作发电机，以满足反驱工况的试验要求。驱动电机处于半消音室中，并对电机噪声进行了单独隔声和吸声处理。对两负载电机进行了轴系加长处理，延伸到了半消音室外，充分减少了负载电机对半消音室的噪声贡献值。

实现高速减速器的NVH及性能试验功能。为了适用不同中心距的样品，增加了负载电机X、Y、Z三向调节结构，实现三个方向的调节。同时，为了减少外部振动的传入，平台采用浮动气垫对主设备进行了隔离。

2.3测试声场环境

符合要求的测试声场环境的建立，是NVH试验台研制的核心部分。测试声场环境评价主要包括:(1)自由声场的空间范围;(2)自由声场的频率范围(截止频率);(3)本底噪声。

按照QC/T1132－2020标准要求，样品噪声测试需要在半消音室内进行。本文选用并建立了平板式结构的半消声室。室内布置了新型BCA/CPA无纤维吸声构件，是一种厚度为350mm的环保非玻纤宽频带复合共振板吸声材料。

半消音室在截止频率50Hz时，其自由场半径达到2.5m，本底噪声低于17dB(A)。在相同截止频率下，相比采用尖劈式吸声材料可节省建筑面30%以上，同时提高房间体积利用率40%以上。

由于台架的主电机放置于半消音室内，其在12000r/min时1m处的声压级超过了92dB(A)，需要对主电机进行隔声处理。隔声处理机构引入了多个声反射面(即台架介入面)，如图3(a)所示，这对自由场空间产生了不利影响。为了将不利影响降到最低，需要对台架介入面综合分析、优化设计，并获得台架介入面对声场的全方位的影响。

通过分析，由于工件所处位置的两平行台架介入面有部分光滑面的存在，声波从工件发出后在两平行介入面之间来回反射，增加了测试点的噪声值。

为了减小影响，对台架介入面进行了铺设吸音棉的处理，如图3(b)所示。经过测试验证，达到了噪声测试优化的效果。各测试点的噪声声压级下降了近2dB(A)，优化了测试环境。

2.3控制系统

电气控制采用三电机组成一套能量回收系统，主要以基于直流母线的交流电封闭式试验台为主。

直流母线电封闭方案是形成类似“孤岛电网”的结构，使能量的流动与外网相对独立。电封闭控制如图4所示，外部电网只需供给较少的电力就能维持系统的运转，同时由于外部电网和系统直流母线之间采用单向连接，避免负载电机产生的电能对电网的冲击和干扰，同时也消除了对电气设备同步、同相的要求。通过实际测试，该系统能耗仅为直接采用耗能负载的30%。

2.4软件系统

测控系统软件分为环境软件和测控专用软件两部分，该系统是基于C++开发测控系统，测试系统软件界面如图5所示。

该控制系统具有扭矩控制模式、转速控制模式，对台架和工件的各种监测传感器的信号都能集中至主控界面，并实时预警和处理。充分满足相关标准的各种性能指标所指定的台架测试要求。

2.5LMS测试系统本试验台是在半消音室中运行，为了能对减速器的NVH性能进行全面、充分的测试分析，配置了西门子的LMS测试系统，以及声学传感器和振动传感器，测试系统相关参数见表2。

试验验证分析

3.1台位空载试验

通过空载试验，对台架空载运行状态进行分析。分别按照输入端转速12000r/min，输出端转速2000r/min进行测试，在工件安装位的上方、前方、左方、右方和斜45°方向安装5个声传感器，并在主电机扭矩传感器附近安装振动传感器。

其中噪声测试数据如图6所示，各点修约值都低于65dB(A)，台架空运转符合设计要求。

3. 2 NVH 性能试验

按照标准 QC /T 1022 － 2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》要求，在减速器的 1m 场布置5 个传声器，并在其输入、输出端轴承处、中间轴轴承处分别布置三向振动传感器。NVH 性能试验选用的工况为( 0 ～ 12000) r/min的匀加速瞬态试验，加速过程中保持扭矩 60N·m。