某SUV电动汽车啸叫问题分析与优化方案验证

摘要：某新能源电动SUV汽车在加速过程中，经过测试驾驶员内耳噪声和主观评价，判断出车内存在明显阶次啸叫，严重影响行驶感受。针对新能源电动SUV汽车在全油门加速工况下驾驶员内耳啸叫声大且突出的问题，通过“噪声源—机构路径/空气辐射路径—车内驾驶员接受者”建立鱼骨图，探寻结构传递和辐射传递的原因，并根据客观测试、客观数据分析、主观评价、工程项目经验判断分别从源头、传递路径上进行分析优化。从噪声源头方面，找出电机气隙增大、减速器压力角减小优化方案，解决加速过程啸叫问题；从结构传递和辐射噪声，通过结构传递和声学辐射两个维度，分析并提出降低悬置刚度和电机增加声学包裹两个优化方案，并结合工程实际需求，将其转化为可以工程化的方案。所提出的优化方案、分析及优化思路，对其他新能源电动车汽车具有较好的参考及指导。

关键词：电动汽车；永磁同步电机；电机啸叫

中图分类号：U472 收稿日期：2024-07-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.007

1 前言

随着新能源电动汽车的快速发展，噪声、振动与声振粗糙度（Noise，Vibration，Harshness，NVH）的性能成为各大车厂的重要开发指标[1]。随着电动汽车技术的快速发展和消费者对汽车舒适性要求的不断提高，电机啸叫噪声问题日益受到关注。电机啸叫噪声在没有内燃机噪声掩蔽的情况下，更容易被乘客感知，从而影响车内环境的舒适性和整车的声品质。为了解决电机啸叫噪声，提升纯电动汽车的整车声品质，行业内外已经展开了广泛的研究和实践[2-3]。减速器和电机作为电驱动总成的主要噪声源，其振动噪声问题一直是行业内关注的重点。该问题的分析与优化方法已逐渐成熟，行业内工程人员积累了丰富的工程经验和实践案例[4-5]。

新能源电动汽车车内啸叫噪声大的问题，可以通过以下方法来解决。从噪声产生的源头即电机和减速器来考虑，包括优化定子和转子结构，优化电磁激励，优化礠隙、气隙均匀度，优化电机壳体及端盖结构，控制电机壳体模态，防止电机壳体产生共振，优化电机控制策略（比如优化变频器载波频率），优化减速器压力角、传递误差、啮入啮出冲击、电机转矩波动、时变啮合刚度、轴齿修形，降低减速器阶次啸叫，降低低转速大扭矩时的噪声，降低高速运行时的噪声。从传递路径方面，优化弹性中心位置，提高悬置Z49zZq4bhRxbRhUtt+dNRhhzRdUYYGjTsmu0rZ8Wv+k=解耦，降低电机和减速器源头的噪声，使悬置安装点动刚度提高，悬置NTF提高，改善结构传递，避免局部共振问题，提升悬置隔振率，降低结构传递引起的车内啸叫噪声。提升整车声学包性能，降低空气辐射声，主要采用电机、减速器全包裹，优化整车前外围吸隔声来提高整车吸隔声性能，降低电机减速器辐射噪声。

国内外学者对纯电动汽车啸叫噪声问题进行了深入分析与研究[6-10]。李建华等[11]针对纯电动车在加速工况车内啸叫声大的问题，通过“激励源-传递路径-接受者”分析模型，分析了电机啸叫原因和传递机理。康强等[12]提出了一种电驱动高频啸叫噪声的评价方法。汪跃中等[13]通过传递路径方法，提出减速器啸叫噪声的改进方案。Doo等[14]用电机转速信号的谐波来合成掩蔽声场，从而提高车内噪声的声品质。

本文聚焦于新能源电动SUV汽车中电机与减速器啸叫噪声问题，通过对其成因进行深入分析，探讨该噪声对驾乘舒适性和整车声品质的影响。通过分析电机和减速器的台架噪声值及整车近场噪声值，进一步探讨其噪声传递路径特性，总结有效的工程化解决方案。某新能源电动SUV车在光滑平整的路面进行全油门加速行驶过程中，驾驶员侧感受到啸叫声较为明显且突出，实际测试结果超过目标曲线，且主观评价不可接受，通过鱼骨图分析方法，对电机及减速器啸叫影响因素的深度探讨和分析，并结合电机和减速器台架及近场噪声源、传递路径特征进行数据分析，提出相应的优化方案。经过试验验证，这些优化方案取得了良好的改善效果。本文提出的鱼骨图诊断分析方法和相应的优化方案不仅能针对特定新能源电动SUV的啸叫问题提供有效的解决方案，而且能为其他车型的新能源电动汽车啸叫问题的研究和排查提供可靠的方法和依据。

2 问题现象

某新能源电动SUV汽车在沥青路面全油门加速工况下车内电机和减速器啸叫声偏大且异常突出，而且经过主观评价不可接受。通过噪声测试设备采集电动SUV汽车驾驶员右耳声音噪声信号，测试工况为沥青路，测试工况维全油门加速。经噪声振动后处理软件LMS Test.Lab软件分析其试验数据，整理出车内噪声的瀑布图及阶次噪声曲线，其结果如图1～图3所示。通过分析发现，存在13个明显阶次啸叫声，分布如下：

a.电机-30阶及其1个谐阶噪声：电机定转子的电磁力噪声。

b.减速器-8.58阶及其7个谐阶噪声：主减速主动齿的齿轮啮合噪声8.58/17.15/25.73/34.31/42.88/51.46/60.03/68.64。

c.减速器-22阶及其2个谐阶噪声：减速器一级减速主动齿的齿轮啮合噪声。

3 电机啸叫分析

在电机中，定子和转子之间的空间称为气隙，当它们通电后，各自会产生磁场。它们是电磁振动噪声的一个次要来源。

纯电动汽车的减速器与传统燃油车变速箱在结构上存在显著差异。传统燃油车的变速箱具有多挡位和离合器等装置，这些装置能够在一定程度上衰减发动机输出扭矩的波动，使齿轮传动更为平稳。然而，纯电动汽车的减速器输入轴与驱动电机的电机轴直接相连，中间没有离合器等缓冲装置，这种设计确实带来了一些特定的挑战和问题，尤其是齿轮传动不平稳和齿轮啸叫噪声的产生。

齿轮啸叫噪声是减速器向外辐射噪声的主要成分之一。这种噪声不仅影响车内的声品质，还可能对乘客的乘坐体验造成不良影响。此外，减速器的啸叫噪声还具有明显的阶次特征。阶次特征是指噪声的频率与齿轮的转速和齿数之间存在特定的关系。具体来说，当齿轮以一定转速旋转时，其啮合频率（即噪声频率）与齿轮的转速和齿数成正比。因此，通过测量和分析减速器的啸叫噪声频率，可以推断出齿轮的转速和齿数等参数，进而对减速器的运行状态进行监测和诊断。

为了降低纯电动汽车减速器的啸叫噪声水平，可以从以下几个方面入手：a.优化减速器的结构设计，减少电机输出扭矩波动对齿轮传动的影响；b.提高齿轮的制造和装配精度，减少误差和变形对啮合过程的影响；c.采用先进的噪声控制技术和材料，对减速器进行隔音和降噪处理。试验用车采用的减速器为单挡双级减速器，其具体参数如表1所示。

为了分析试验车电驱动工作激励特性及传递路径，绘制了电机和减速器噪声传递路径分析原理图，如图4所示。根据“噪声源—机构路径/空气辐射路径—车内驾驶员接受者”鱼骨图分析模型，在电驱动系统工作时，结构噪声由电驱动总成产生，并经过悬置、高压线束、管路等传递路径最终影响到车内环境，而电驱动的啸叫空气辐射声涉及多个传播路径和机制，主要是整车声学包。

3.1 电机和减速器辐射噪声

从鱼骨图分析得出，全油门加速工况下车内啸叫噪声主要来自电机的30/60阶、减速器22阶以及2个谐阶噪声，瀑布图中电机和减速器阶次的噪声是车内啸叫噪声的主要贡献者，根据主观评价结果，全油门加速工况车内噪声整体偏大且主观不能接受，不满足目标要求，问题集中在全车速区间段。

通过电机台架0.5 m声压级测试得知，电机阶次不满足目标要求。0～120 km/h噪声都不满足要求，结果如图5所示。

通过减速器台架1 m声压级测试得知，减速器阶次不满足目标要求。0～120 km/h噪声都不满足要求，结果如图6所示。

3.2 电驱系统悬置隔振

通过布置悬置振动传感器，进行全油门工况悬置隔振实验测试，输出数据，对电驱系统的左右、后悬置隔振分别进行分析，可以得知电驱动系统在全油门工况下的振动控制能力和隔振效果，结果如图7所示。在全油门工况1 000～5 000 r/min转速段，电驱系统三个悬置（左、右、后）动激励隔振效果不足，隔振率均小于20 dB，但未达到目标（>20 dB）。

4 优化方案验证

4.1 电机气隙增大和减速器压力角减小

通过分析电机噪声产生的原因，定子、转子、气隙、减速器输入轴轴齿（压力角，（°））、减速器中间轴轴齿（压力角，（°））、减速器输出轴轴齿（压力角，（°））、轴齿修形、壳体、电机侧端盖、减速器侧端盖，原电机气隙0.6 mm，通过增大气隙至0.8 mm，降低高速时噪声，近场60阶80～1001 km/h峰值噪声有优化约5 dB（A）。对比结果如图8所示。

4.2 提高悬置隔振率

电驱系统悬置隔振特性不满足要求，需要提升悬置的隔振率，减少结构传递，从而提升车内噪声品质，悬置原结构为48°橡胶，通过降低悬置结构刚度为40°橡胶，通过悬置隔振对比测试验证得知，悬置隔振优于原结构，新刚度悬置已大部分>18 dB，趋近目标>20 dB，对比结果如图9所示。

4.3 增加电机声学包裹

从路径控制来分析，实施电驱动声学包裹，降低阶次啸叫声能量的传递，通过对电机本体进行声学包裹，包裹如图10所示。降低空气辐射声，通过对比测试得知电机及减速器70 km/h以上阶次均有5～10 dB（A）改善，对比结果如图11所示。

4.4 主观评价

在构建用于主观评价电机啸叫噪声水平的体系时，制定一个详细且明确的主观评价表是至关重要的。表2是一个基于等级评分法（10分制）和描述性语言来划分电机啸叫噪声性能水平等级的示例评价表。

评价范围：1～10分，分数越高表示啸叫噪声越低，性能越好。

评价环境：应在标准的声学测试环境中进行，确保背景噪声低于一定阈值，避免外界干扰。

评价人员：由多名经过培训的专业评价员组成，以减少个体差异对评价结果的影响。

在本文中，关于某新能源电动SUV汽车电机啸叫噪声的优化过程，采用了主观评价和客观测试两个维度的评价方法，在优化电机和减速器啸叫的过程中，为了清晰地展示优化方案与主观评价之间的对应关系，构建了一个优化方案主观评价对应关系表，实施后主观评价上达到预期的改善效果，结果如表3所示。

5 结语

本文基于新能源电动SUV电机和减速器产生啸叫的原因，从多个角度进行理论分析，提出了“噪声源-机构路径/空气辐射路径-车内驾驶员接受者”模型，对电机和减速器产生啸叫的原因进行详细分析，并探讨其传递路径特性。针对新能源电动SUV电机多个啸叫特征，可以依据诊断分析思路和工程经验，从多个方面快速锁定解决方案。针对新能源电动SUV在80～100 km/h速度范围内出现的啸叫问题，以及加速工况下由于悬置隔振不足引起的啸叫问题，通过实施电驱动声学包裹优化和降低悬置刚度来解决，不仅成功改善了纯电动汽车电机的啸叫问题，而且显著提升了车内声品质。这些工作内容和成果不仅为当前电动车型提供了有效的啸叫解决方案，也为其他电动车型及相似啸叫问题的处理提供了宝贵的参考和指导经验。通过不断优化电机设计、阻断噪声传递路径和改善车内声学环境，可以进一步推动纯电动汽车技术的发展和普及。

参考文献

[1]李彬，邓建交，牛文博，等.某纯电动汽车电机啸叫噪声优化[J].汽车科技，2020（3）：48-53.

[2]徐炳桦，周湘，雷发兵，等.基于整车传递路径贡献分析法的纯电动车啸叫噪声优化[J].汽车零部件，2020（6）：5-11.

[3]白学斌，金子嵛，于博瑞，等.电驱系统减速器啸叫噪声问题分析及优化[J].传动技术，2021，35（2）：10-15，25.

[4]温国庆，李艳斌，殷麒麟.采用传递路径分析的纯电动车减速器啸叫噪声优化[J].重庆理工大学学报，2017，31（9）：53-57.

[5]康强，顾鹏云，李洁，等.电动汽车电驱动总成噪声传递特性测试和分析[J].噪声与振动控制，2018，38（6）：109-112.

[6]朱宇.纯电动汽车车内声品质分析评价研究[D].长春：吉林大学，2013.

[7]严刚，夏顺礼，张欢欢.某纯电动汽车车内噪声试验分析与识别[J].合肥工业大学学报，2011，34（9）：1298-1384.

[8]曹勇.电动汽车车内噪音的分析与控制[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[9]COGSWELL J A.Mechanical mobility relationship to the dynamic properties of the structure-borne vibration path within the power train and vehicle[C].SAE Paper，2003-01-1601.

[10]DUNCAN A，GOETCHIUS G，GUAN J.Structure borne NVH[C].SAE 2009 NVH Conference，2009，USA.

[11]李建华，杨志伟，狄小祥，等.电动汽车电机啸叫问题诊断与优化分析[J].汽车实用技术，2023，48（6）：41-46.

[12]康强，顾鹏云，李洁，等.电动汽车电驱动高频啸叫噪声评价方法研究[J].汽车工程，2019，41（6）：682-687.

[13]汪跃中，谭雨点，丁润江，等.基于传递路径分析的纯电动车驾驶室内啸叫问题优化[J].汽车实用技术，2019（13）：12-14.

[14]Doo Y G，Kiseop Y，Yeolwan S，et al.Application of sbuharmonics for active sound design of electric vehicles[J].Acoust.Soc. Am.2014，136（6）：32-41.