電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲問(wèn)題研究展望
電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲具有自身特點(diǎn)，目前處于研究的初始階段。按照系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，論文首先闡述電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)在動(dòng)力系統(tǒng)方面的變化，以及由此引起的整車(chē)結(jié)構(gòu)和相關(guān)系統(tǒng)的變化。在此基礎(chǔ)上，從振動(dòng)源、噪聲源和傳遞途徑的角度分析電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象具有的特點(diǎn)，總結(jié)純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲控制需要面對(duì)的共性和特殊關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以及利用電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)解決振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的工作方向。
1 引言
節(jié)能、環(huán)保和安全成為當(dāng)代汽車(chē)發(fā)展的主題。能源安全和環(huán)境保護(hù)的巨大挑戰(zhàn)使得汽車(chē)能源和動(dòng)力轉(zhuǎn)型成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。因此，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展受到全世界的重視，并日益成為技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。目前，電動(dòng)汽車(chē)研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是動(dòng)力系統(tǒng)的集成和控制，以及動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的開(kāi)發(fā)，對(duì)于其振動(dòng)和噪聲的研究尚未引起重視。因?yàn)橥ǔＨ藗冋J(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)具有明顯的振動(dòng)和噪聲技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是，目前處于開(kāi)發(fā)階段的電動(dòng)汽車(chē)的噪聲水平與商業(yè)化的汽油車(chē)和柴油車(chē)相比并不具有優(yōu)勢(shì)。圖1所示為歷次必比登新能源汽車(chē)挑戰(zhàn)賽上參賽的各種動(dòng)力型式汽車(chē)的車(chē)外PASSBY噪聲的測(cè)試對(duì)比結(jié)果充分證明了這一點(diǎn)。另外，噪聲水平低已經(jīng)不再是汽車(chē)噪聲控制的重點(diǎn)，重點(diǎn)是在降低噪聲水平的前提下改善聲學(xué)品質(zhì)。
由于汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題具有強(qiáng)烈的系統(tǒng)依賴(lài)性、時(shí)間依賴(lài)性以及耦合關(guān)聯(lián)性，如果能夠在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的早期就進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制，則能夠達(dá)到良好的聲振效果，才能避免成本更高、耗時(shí)更長(zhǎng)而效果有限的生產(chǎn)后的整改。目前，有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲研究的公開(kāi)文獻(xiàn)很少。文獻(xiàn)【2】對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的噪聲和振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了非常簡(jiǎn)要的闡述，這充分表明該領(lǐng)域的研究基本處于空白狀態(tài)，或者處于嚴(yán)格技術(shù)保密階段。
鑒于此，本文將按照系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，首先闡述電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)在動(dòng)力系統(tǒng)方面的變化，以及由此引起的整車(chē)結(jié)構(gòu)和相關(guān)系統(tǒng)的變化。在此基礎(chǔ)上，從振動(dòng)源、噪聲源和傳遞途徑的角度分析電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象具有的特點(diǎn)，總結(jié)純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲控制需要面對(duì)的共性和特殊關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，最后進(jìn)一步提出了充分利用電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)解決其振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的工作方向。
2 電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象的特點(diǎn)
電動(dòng)汽車(chē)，無(wú)論是純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)還是燃料電池汽車(chē)，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車(chē)相比，整車(chē)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化。主要包括：
（1）動(dòng)力系統(tǒng)
動(dòng)力系統(tǒng)的變化主要包括：（1）動(dòng)力輸出裝置的電動(dòng)化。純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)?yán)秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)，混合動(dòng)力汽車(chē)采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)；（2）新增電能儲(chǔ)存系統(tǒng)或者電能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。燃料電池汽車(chē)通過(guò)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，純電動(dòng)汽車(chē)需要能量型的動(dòng)力蓄電池或者超級(jí)電容作為電能供應(yīng)系統(tǒng)；（3）燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)或者能量補(bǔ)充系統(tǒng)的改變。（4）傳動(dòng)裝置的改變。純電動(dòng)和燃料電池汽車(chē)?yán)秒姍C(jī)轉(zhuǎn)速范圍寬和調(diào)速方便的特點(diǎn)簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，采用單一傳動(dòng)比的減速器；混合動(dòng)力汽車(chē)要通過(guò)功率耦合和分離裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合，傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜化。
（2）輔助系統(tǒng)
輔助系統(tǒng)的變化主要是指原來(lái)由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力或者在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)才能正常工作的系統(tǒng)，包括空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力泵系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)的真空助力系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上改為電力驅(qū)動(dòng)，需要各種電動(dòng)壓縮機(jī)和電動(dòng)泵等才能保證各個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
（3）車(chē)身和底盤(pán)系統(tǒng)
動(dòng)力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的改變導(dǎo)致整車(chē)總布置、載荷分布以及整車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)性能的變化，因此必須對(duì)整車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)和底盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
根據(jù)對(duì)電動(dòng)整車(chē)變化的分析，結(jié)合研究開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在燃料電池汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到和解決的實(shí)際問(wèn)題，總結(jié)電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲特性與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，具有以下重要特點(diǎn)：
（1）整車(chē)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性受大質(zhì)量部件的影響大。純電動(dòng)和燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池、燃料電池電堆以及支持系統(tǒng)都是質(zhì)量幾十甚至幾百公斤，通常采用剛性連接或者較硬的彈性連接與車(chē)身結(jié)構(gòu)相連。由于質(zhì)量較大以及固定位置的布置，對(duì)于整車(chē)模態(tài)特性具有重要影響。因此，需要提高整車(chē)車(chē)身剛度和連接剛度，否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“接觸面”摩擦異常噪聲問(wèn)題。另外，為了保證整車(chē)軸荷分配滿(mǎn)足要求，較大的集中質(zhì)量在車(chē)體上沿車(chē)輛縱向方向分布布置，會(huì)導(dǎo)致整車(chē)俯仰、側(cè)傾和橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，影響操縱穩(wěn)定的瞬態(tài)響應(yīng)特性。
（2）由于整車(chē)內(nèi)外聲學(xué)環(huán)境的本底噪聲趨于減小，導(dǎo)致整車(chē)聲學(xué)特性的變化。原來(lái)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)對(duì)車(chē)內(nèi)外噪聲貢獻(xiàn)最大的發(fā)動(dòng)機(jī)以及進(jìn)排氣系統(tǒng)或者被完全取消，或者使用狀況發(fā)生很大的變化（混合動(dòng)力汽車(chē)存在純電動(dòng)模式或者混合模式），而路面激勵(lì)引起的噪聲以及輪胎噪聲等保留，將會(huì)車(chē)輛行駛和怠速時(shí)主要噪聲源營(yíng)造的本底噪聲降低，這是電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)噪聲水平較低的根本原因所在。但是，本底噪聲水平的降低與特性的改變，將使電動(dòng)汽車(chē)各個(gè)噪聲源的貢獻(xiàn)比重發(fā)生重要的改變，從而對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)和車(chē)外噪聲等級(jí)產(chǎn)生重要影響。
（3）振源和噪聲源分布更加分散，且容易引發(fā)新的異常噪聲問(wèn)題。內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車(chē)最主要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和部件集中在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的各種輔助系統(tǒng)也同樣集中在內(nèi)燃機(jī)體附近。電動(dòng)汽車(chē)的主要輔助系統(tǒng)也基本安裝在前艙內(nèi)，但是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池以及其他的大功率元件由于體積和重量的限制，或者由于特殊的技術(shù)要求分散布置在車(chē)身底板下或者后備箱內(nèi)，其附加的冷卻、通風(fēng)等系統(tǒng)在整車(chē)上分散布置。如圖2所示為某燃料電池汽車(chē)的整車(chē)總布置。
由此形成“多聲源散布”的特點(diǎn)。而且，各種電動(dòng)化系統(tǒng)和部件的不同工作特性、不同安裝位置和不同工作時(shí)序，將會(huì)導(dǎo)致整車(chē)振動(dòng)和聲學(xué)特性具有更多“瞬態(tài)”特色，加上整車(chē)本底噪聲的降低，各個(gè)部件的工作振動(dòng)和噪聲容易被乘客注意，甚至被認(rèn)為是“異常振動(dòng)和異響”，產(chǎn)生非常不利的影響。
（4）固體和空氣傳遞途徑要求提高。電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)源和噪聲源分散布置的特點(diǎn)導(dǎo)致對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的局部阻抗特性要求，以及固體振動(dòng)傳遞控制的懸置和支承提出新的要求，并且不利于向內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)那樣采用帶有副車(chē)架的二級(jí)隔振系統(tǒng)解決整個(gè)動(dòng)力和輔助裝置的寬帶振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。另外，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、各種輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)容易發(fā)生高頻的電磁噪聲，加上電動(dòng)汽車(chē)線(xiàn)束系統(tǒng)數(shù)量多，分布區(qū)域廣，需要大量的間隙或者空洞走線(xiàn)，這對(duì)于隔離高頻噪聲形成較大的難度。
（5）瞬態(tài)沖擊振動(dòng)和高頻噪聲現(xiàn)象突出。電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，但啟動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)斜率大，電機(jī)的懸置系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的抗瞬態(tài)沖擊能力；旌蟿(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻率相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)大大增加，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)乃至整車(chē)的縱向振動(dòng)問(wèn)題突出。各種輔助系統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)同樣會(huì)頻繁啟停，瞬態(tài)振動(dòng)和噪聲問(wèn)題需要引起重視。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和各種輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生的高頻的電磁噪聲，以及各種功率控制器件也會(huì)發(fā)生會(huì)更高頻率的噪聲，在人類(lèi)聽(tīng)閾上限附近或者更高的頻率范圍內(nèi)對(duì)人體產(chǎn)生影響，對(duì)于器件是電磁兼容問(wèn)題，對(duì)于乘客和車(chē)外人員就是如何控制高頻電磁環(huán)境污染和傷害的問(wèn)題。
3 電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲控制的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
3．1 共性技術(shù)問(wèn)題
純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)以及燃料電池汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題研究共性問(wèn)題：
（1）整車(chē)
a) 電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之振動(dòng)和噪聲設(shè)計(jì)流程、開(kāi)發(fā)環(huán)境和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；
b) 電動(dòng)汽車(chē)縱向、側(cè)向和垂向以及耦合低頻振動(dòng)分析和優(yōu)化；
c) 電動(dòng)汽車(chē)振源/噪聲源—傳遞途徑—接受體綜合分析；
d) 電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與頻率規(guī)劃；
e) 電動(dòng)汽車(chē)高頻噪聲對(duì)人體生理和心理影響；
f) 電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)和車(chē)外噪聲客觀和主觀評(píng)價(jià)，尤其是電動(dòng)汽車(chē)的聲學(xué)品質(zhì)。
（2）動(dòng)力系統(tǒng)
a) 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)以及彎扭耦合振動(dòng)特性分析；
b) 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)振動(dòng)和沖擊分析、預(yù)測(cè)和控制技術(shù)；
c) 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速裝置懸置系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方法。
（3）關(guān)鍵部件
a) 電機(jī)高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電磁噪聲控制技術(shù)；
b) 各個(gè)輔助系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲特性、機(jī)理和控制，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。
3．2 特殊技術(shù)問(wèn)題
（1）純電動(dòng)汽車(chē)
a) 電機(jī)高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電磁噪聲控制技術(shù)；
b) 各個(gè)輔助系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲特性、機(jī)理和控制方法，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。
（2）混合動(dòng)力汽車(chē)
a) 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)瞬態(tài)振動(dòng)分析和控制技術(shù)；
b) 動(dòng)力耦合動(dòng)態(tài)過(guò)程分析和控制技術(shù)；
c) 動(dòng)力模式切換過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲保持連續(xù)性技術(shù)
d) 大功率帶傳動(dòng)技術(shù)（主要針對(duì)BSG）。
（3）燃料電池汽車(chē)
a) 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲問(wèn)題；
b) 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲問(wèn)題；
c) 電電混合燃料電池汽車(chē)的加速噪聲測(cè)試方法。
4 利用電動(dòng)汽車(chē)特點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)和噪聲控制的方法
電動(dòng)汽車(chē)總體上是具有明顯的振動(dòng)水平低、噪聲強(qiáng)度小的優(yōu)勢(shì)，而且特殊的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式也給解決振動(dòng)和噪聲問(wèn)題提供新的思路和新的手段。以下幾個(gè)方面值得關(guān)注：
（1）電機(jī)以及與減速器的集成體的懸置系統(tǒng)是否采用沒(méi)有副車(chē)架的單級(jí)減振結(jié)構(gòu)，以利輕量化；
（2）利用混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)乃至動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的主動(dòng)控制【3】；
（3）利用輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制能力和響應(yīng)速度進(jìn)行制動(dòng)器制動(dòng)抖動(dòng)的主動(dòng)控制【4】；
（4）利用輪轂電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行輪胎花紋噪聲的混合主動(dòng)消聲控制【5】。
5 結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)目前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，綜合的提出了有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲問(wèn)題研究的方向，提出了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和值得關(guān)注的幾個(gè)電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲控制的方面。希望本文的綜合闡述對(duì)解決電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題發(fā)揮一定的指導(dǎo)性作用。
參考文獻(xiàn)
【1】必比登新能源汽車(chē)挑戰(zhàn)賽技術(shù)測(cè)試結(jié)果，
【2】龐劍，諶剛和何華 編著.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)——理論與應(yīng)用，北京：北京理工大學(xué)出版社，2006年6月，445－446
【3】Hyeoun-Dong Lee and Seung-Ki Sul. Diesel engine ripple torque minimization for parallel type hybrid electric vehicle, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997
【4】尹東曉.汽車(chē)制動(dòng)抖動(dòng)發(fā)生機(jī)理研究，同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2006年3月
【5】于增信，譚惠豐，杜星文.輪胎花紋溝噪聲研究進(jìn)展, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，第34卷第2期，2002
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