新能源清洗车上装异常作业噪声优化

李世权,席松涛,王清德,李公哲

(郑州宇通重工有限公司, 郑州 451482)

0 引 言

随着环卫市场化进程的加快,生活垃圾不断增多,“蓝天保卫战”进入快车道,而环卫车作为其中重要的一环,市场需求逐年递增。环卫新能源化是未来发展的趋势,电动车普遍没有发动机与涡轮增压器等高噪声宽频带声源,使电驱动系统噪声缺乏遮蔽而更为凸显。随着人们对环卫车辆NVH性能的要求越来越高,整车作业噪声特性成为衡量整车性能的重要指标,电驱动系统作为电动车辆主要的噪声源之一,受到了越来越多的关注。

1 噪声问题

新能源清洗车上装作业机构主要为低压水路,某款车型新能源采用独立上装电机通过传动轴驱动低压水泵形式为低压水路提供动力。

该车型某批次整车调试出现上装作业噪声异常问题,通过对该批次订单车辆进行摸底排查发现,位于车辆右侧的低压水泵作业时,所有车辆右侧上装工作平台处均出现不同程度振响,部分车辆驾驶室区域出现异常噪声,影响驾驶员体验。上装电机转速处于900～1 200 r/min时,发生异常噪声。

通过实车跟踪观察,异常噪声包含两部分:①电机、控制器护罩封板与加强筋碰撞“嗒嗒”声,车辆左侧上装电机、控制器外围护罩与工作台加强筋间距较小,护罩为薄壁件,在右侧上装电机以900～1 200 r/min转速工作时,系统发生振动,导致护罩与加强筋撞击,发出“嗒嗒”声;②工作台振动声音,低压水泵以900～1 200 r/min转速工作时,车辆左右两侧工作台均表现出明显振感,由此发出异常噪声,经验证,右侧上装电机工作转速由低到高、由高到低时,均有异常噪声。针对噪声①,使用减振胶垫隔离振动,“嗒嗒”声消失,本文着重介绍噪声②的分析排查。

2 整车基本情况

2.1 电机及水泵安装环境

低压水泵刚性安装于右侧工作台,由上装电机通过传动轴直接驱动,速比1∶1,传动轴两端配备万向节,上装电机通过V形悬置脚垫安装于工作台,工作台为L形,并由螺栓固定于车架纵梁,L形工作台底部配备横向支撑筋提升结构刚度,L形工作台两端配有斜向加强筋,上装结构如图1所示。

图1 工作台安装示意图

上述装置位于底盘车架外侧,外沿无大型结构遮挡削弱作业噪声,作业机构出现噪声异常时将直接影响NVH性能和噪声主观评价。

2.2 电机基本参数

该车型低压水泵电机为永磁交流同步电机,永磁体为V形,冷却方式为水冷,电机主要设计参数如表1所示,电机拓扑图如图2所示。

表1 电机基本参数

图2 定转子拓扑图

低压水泵电机作为作业时整车主要噪声源,外侧无结构件遮蔽,应为分析作业异常噪声的首选目标。

2.3 低压水泵主要参数

低压水泵自带一级升速齿轮,齿数分别为45、19,低压水泵为双叶片,叶片片数为6。以水泵输入转速为基准,振动阶次包含:一级齿轮45阶、叶片14.2阶(45/19*6)。

3 电机噪声

根据产生机理,电机噪声大致分为电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。

(1)电磁噪声

电机磁场周期性随空间变化,引起电磁力,电磁力主要分为径向电磁力和切向电磁力。径向电磁力引起定子铁心径向振动和变形,切向电磁力引起定子齿部相对于轭部产生弯曲变形振动,径向振动变形为电磁噪声的主要贡献,切向变形振动为次要贡献。定子铁心与机壳采用过盈刚性配合时,定子铁心振动通过机壳传播至周围空气,振动可被感知,产生电磁噪声,电磁噪声频率与电流基频及谐波频率相关。

(2)机械噪声

转子动平衡差时,转子质心偏心会引起噪声,其频率为转子转频或其倍数频率。轴承磨损可以引起振动噪声,主要包含滚珠与内圈、滚珠与外圈的摩擦,内圈的旋转频率,保持架的特征频率。机械噪声与转子转频有特定的阶次对应关系。

(3)空气动力噪声

电机的空气动力噪声主要有不规则转子表面高速摩擦定子内腔气体、铁心通风道、散热风扇引起。本案例中低压水泵电机为水冷永磁同步电机,转子永磁体为内插式,转子表面光滑,空气动力噪声对整机贡献占比较少。

根据低压水泵电机主要噪声类别,该电机72槽16极,转子对中时,电机振动阶次包含[1-6]:转子动平衡、偏心,1阶、2阶振动;电磁力谐波,16阶及其倍频;齿槽转矩,LCM(极数、齿数)阶及其倍频;控制器高频载波,开关频率。

根据供应商以往质量表现,电机转子不对中时,存在8阶振动可能性的概率较低。电机轴承配置为6309+6307,其内外圈振动阶次分别为4.95,3.05和4.93,3.07。

4 原因分析

4.1 初步分析

电机与低压水泵以1 000 r/min运行,使用LMS数据采集器对作业装置附近噪声进行测试,经频谱分析发现频率为66.6 Hz分量异常,嗓声幅值偏大,如图3所示。

图3 转速1 000 r/min噪声频谱

电机与低压水泵转速以1 000 r/min稳定运行时,水路负载不变,电机输出转速、转矩波动小,可视为恒定负载。此时,电机与低压水泵转频为16.6 Hz(1 000/60),异常频率为66.6 Hz,阶次为4。

上述电机、水泵阶次均与此次发生异常的4阶阶次不同,初步分析无法锁定异常噪声来源。

4.2 再溯源

横向对比同平台另一台车辆,对比车辆使用与问题车型相同的电机、低压水泵,水路配置也相同,两款车型仅电机控制器不同,对比车辆在900～1 200 r/min作业时无异常振动噪声。

再次使用LMS数据采集器对问题车辆上装平台不同位置进行振动三向振动加速度数据测试,检测点包括电机安装座、电机端部、低压水泵升速箱,测量数据经频谱分析分别如图4、图5、图6所示。

图4 转速1 000 r/min电机安装座振动频谱

图5 转速1 000 r/min电机端部振动频谱

图6 转速1 000 r/min低压水泵升速箱振动频谱

通过振动频谱分析,电机本体及安装座均存在66.6 Hz及其谐波的异常振动分量,阶次为4阶,与噪声频率相同,低压水泵端振动正常,推测4阶振动来源于电机侧。拆除水泵及传动轴,低压水泵电机无负载旋转,电机转速1 000 r/min,对电机安装座、端部进行空载振动测试,发现电机66.6 Hz及其谐波分量异常,锁定4阶异常噪声来源于电机本体。

更进一步采用示波器设备对电机输入侧电流采样,采样周期为1 s,采样时电机转速为1 000 r/min,电流波形如图7所示,三相线电流不均匀,波形畸变明显。经MATLAB进行傅里叶分解,谐波含量如图8所示,此时电机转频为16.66 Hz,电流基频为133.33 Hz,电机输入电流含有明显频率为61.54 Hz、71.79 Hz、194.9 Hz以及205.1 Hz等电流异常谐波分量。61.54 Hz、71.79 Hz谐波分量对应频率为66.65 Hz,为电流基频的一半,与4阶振动对应,由此判定工作台振动激励主要来自电机控制电流的异常谐波分量。优化电流波形减小谐波含量,即可消除该噪声问题[7-10]。

图7 转速1 000 r/min电机输入电流波形

图8 转速1 000 r/min电机输入电流频谱分析

4.3 问题解决

控制器输出波形畸变,属于控制缺陷问题,通过优化程序策略后,三相电流波形基本平衡,如图9所示,无明显畸变。此时电流异常分量66.65 Hz削弱明显,如图10所示。

图9 转速1 000 r/min优化后电机输入电流波形

图10 转速1 000 r/min优化后电机输入电流频谱

控制器程序优化后,实车测试电机振动,并经频谱分析验证,4阶振动幅值已无明显异常,如图11、图12所示,整车噪声恢复正常。取消减振胶垫后,噪声①也已消除,工作台及护罩恢复标准状态,取消封板与支撑筋之间的减振胶垫。全转速范围内复测,未出现异常噪声,问题得以解决。

图11 转速1 200 r/min优化后电机端部振动频谱

图12 转速1 200 r/min优化后电机安装座振动频谱

5 结 语

面对产品实际问题,通过实车状态对比分析,使用LMS数据采集器实车测试水泵、水泵升速箱、电机振动和噪声数据,根据傅里叶分解锁定异常噪声阶次,排除电机、低压水泵自身结构固有阶次。结合示波器的输入电流采样,发现三相电流不平衡,经过分析发现电流谐波存在异常。经过对电机控制器控制策略优化,消除异常阶次,三相电流趋于平衡,作业异常噪声消除。本文验证了基于MATLAB频谱分析对整车异常噪声进行分析定位的准确性,为新能源环卫车辆异常噪声排查过程提供参考。