摘要
电驱动力总成悬置系统高频结构噪声控制是电动汽车噪声、振动和声振粗糙度（noise，vibration and harshness，简称NVH）开发与研究的重要内容，悬置动特性试验因设备技术更新换代而大幅提升测试频率上限至3 kHz。以某电动汽车橡胶悬置为研究对象，进行高频动特性试验研究。首先，分析悬置动特性试验边界条件，指出悬置的胶体刚度、支架模态以及试验夹具模态是影响高频动特性的3个主要因素；其次，研究橡胶悬置高频动刚度的主要特点，通过附加质量的方案对动刚度峰值及频率与影响因素的对应关系进行了辨识；然后，总结了3个主要因素对动特性的影响规律，提出电动车悬置及其支架的设计与优化原则；最后，用悬置刚度和支架质量对整车主减速器阶次噪声的改善效果进行试验，验证了橡胶悬置高频动特性研究的必要性和结论的正确性。
减少化石能源消耗、“碳达峰、碳中和”的国家战略、清洁能源以及储能技术的迅速发展，使新能源汽车迅速成为汽车工业研究开发的重点。相对于混合动力汽车，纯电动汽车不需要非常复杂的控制策略，架构相对简单，成为新能源汽车的产品趋势。电动汽车的NVH性能是乘客感知度最显著的整车动态品质，虽然噪声级减小，但噪声频率的显著提高使乘客更容易感知整车声品质的变化，这对NVH高频噪声性能开发与控制提出了更高要
传统燃油车NVH开发关注的是发动机动力总成产生机械噪声和燃烧噪声的阶次与频率范
发动机激励能量集中在不平衡往复惯性力与不平衡倾覆转矩的主谐量，其频率主要分布在400 Hz以内。不平衡倾覆转矩主要体现在低阶主谐量，不平衡往复惯性力主要体现在高阶主谐量。其悬置系统分析重点关注悬置系统的解耦、频率分布、液阻悬置刚度与阻尼以及提升系统隔振能力等。电动车的研究多为电机及减速器等部件的高频结构噪声控
研究表明，电驱动力总成2.5 kHz以下频率的噪声主要通过结构路径传入驾驶
笔者以某电动汽车电驱动力总成橡胶悬置为研究对象，对测试频率可达3 kHz的新型电磁式高频动特性测试系统进行橡胶悬置高频动特性试验研究。通过分析悬置动特性试验的边界条件，找出高频动特性的主要影响因素。研究动特性的高频特征，通过附加质量方案辨识动特性与主要因素的对应关系与影响规律，拓展了电动车悬置及其支架设计与优化的指导原则。在整车状态下，以悬置刚度和质量变化对车内主减速器阶次噪声的改善效果来验证该结论的有效性。
该电动汽车前轴与后轴各搭载一台驱动电机。前、后电驱动力总成的悬置系统分别采用四点和三点质心式布置。质心式布置能有效减小大扭矩驱动工况的悬置受力，提升悬置疲劳耐久性能。
图1 前电驱动力总成及悬置系统布置
Fig.1 Layout of powertrain mounting system of front motor
图2 右后衬套型橡胶悬置总成
Fig.2 Rear right bushing mount of front motor
悬置总成的高频动特性试验结果既包含橡胶体的动特性，也包含悬置支架对动特性的影响。相比传统的500 Hz以内悬置动特性试验，本试验研究频率高达3 kHz，悬置被动端支架模态包含在该频率范围内。另外，悬置夹具作为动特性试验的边界约束，其模态也可能对高频动特性试验结果有影响。
试验采用新型的m+p电磁式高频试验台，其测试频率范围为50~3 000 Hz，最大预载为5 kN。悬置高频动特性试验台如
图3 m+p悬置高频动特性试验台
Fig.3 m+p test rig for high-frequency dynamics of mount
试验最高频率为3 kHz，限于装夹形式，夹具模态不易远高于试验频率。为减少夹具模态对悬置动特性试验的影响，需尽量提升夹具的1阶模态频率。选用质量轻、比刚度大、成形性好的7075航空铝合金材料进行夹具设计与制作。悬置样件与夹具装配体及边界分析模型如
图4 悬置样件与夹具装配体及边界分析模型
Fig.4 Assembly and computer aided engineering model of bushing mount and fixtures
为研究夹具模态的影响，进行夹具模态分析。分析时保留上下夹具和安装螺栓，并将悬置及其被动端支架简化为线性弹簧和等效质量。悬置高频试验夹具模态分析结果如
图5 悬置高频试验夹具模态分析结果
Fig.5 Fixture modals of high-frequency dynamics test of bushing mount
在无法避免夹具模态对高频动特性影响的情况下，悬置高频动特性的主要影响因素为悬置刚度、夹具模态以及悬置支架模态。以上因素相互作用，共同影响悬置动特性的试验结果。
悬置高频动特性试验结果如
图6 悬置高频动特性试验结果
Fig.6 Experimental dynamics of bushing mount
为研究高频动刚度3个峰值的主要影响因素，通过不同刚度和不同附加质量的方案进行辨识。
图7 附加质量位置
Fig.7 Position of the added mass for mass schemes
| 影响因素 | 基本状态 | 试验方案 | 试验目的 |
|---|---|---|---|
| 悬置刚度 | ①上夹具无附加质量；②被动端支架无附加质量 |
悬置刚度： 1#为800 N/mm 2#为630 N/mm 3#为475 N/mm | 研究悬置刚度对高频动特性的影响规律 |
| 悬置支架模态 | ①上夹具无附加质量；②悬置刚度：1#为800 N/mm，2#为630 N/mm | 悬置支架附加质量分别为0 g，45 g，90 g | 研究悬置支架模态对高频动特性的影响规律 |
| 上夹具模态 | ①被动端支架无附加质量；②悬置刚度：2#为630 N/mm | 上夹具附加质量为0 g，90 g | 研究上夹具模态的影响规律 |
通过调整橡胶硬度来改变悬置样件的刚度，进行高频动特性测试。3种悬置样件在50 Hz的初始动刚度分别为800， 630和475 N/mm，对应编号1#，2#和3#。不同初始刚度悬置的动特性试验结果如
图8 不同初始刚度悬置的动特性试验结果
Fig.8 Experimental dynamics of mount with different initial stiffness
针对1#和2#悬置样件，在悬置被动端支架圆管外壳处分别粘贴0（无附加质量），45和90 g的附加质量，测得被动端支架不同附加质量的动特性试验结果如
图9 被动端支架不同附加质量的动特性试验结果
Fig.9 Experimental dynamics of mount with different added mass on passive end brackets
在1#样件无任何附加质量的高频动特性试验基础上，在上夹具模态位移最大的两侧共附加90 g质量，
图10 上夹具不同附加质量的动特性试验结果
Fig.10 Experimental dynamics of bushing mount with different added mass on upper fixture
基于动特性试验结果，结合试验边界条件的模态分析，总结各因素对动特性的影响规律如
| 峰值频率/kHz | 影响因素 | ||
|---|---|---|---|
| 悬置刚度(刚度降低) | 悬置支架模态(质量增加) | 上夹具模态(质量增加) | |
| 1.2 | 峰值明显下降频率明显下降 | 无变化 | 无变化 |
| 1.5 | 无变化 | 无变化 |
峰值稍降低 频率稍降低 |
| 2.0 | 无梯度性变化 | 峰值明显下降频率明显下降 | 无变化 |
上述结论在整车上的工程应用因为边界条件发生变化，分析如下。
当峰值频率为1.2 kHz时，在动特性试验中，上夹具与悬置被动端支架附加质量对其无影响，而降低悬置刚度，该峰值及其频率明显降低。结合仿真结果，判断是由芯轴及其螺栓z向模态所致。在整车状态，该模态将对应悬置主动端支架模态。试验表明主动端支架模态频率与悬置初始刚度正相关，为提升悬置全频段隔振降噪能力，需在合理范围内降低悬置初始刚度。电动车激励频率较高，为避免结构噪声恶化，需进一步提升主动端支架模态。
当峰值频率为1.5 kHz时，悬置初始刚度变化和被动端支架附加质量对该峰值无影响，仅在上夹具附加质量后，峰值及频率稍有降低，该峰由上夹具x向模态所致。只是动特性试验中，激励方向与上夹具x向模态接近正交，径向动特性受轴向结构模态影响较小。在整车状态，悬置主动端约束一般较试验上夹具弱，且模态也不一定正交，可能引发相应结构噪声。
当峰值频率为2 kHz时，该峰值及其频率与被动端支架附加质量负相关，梯度性规律明显，判断该峰由被动端支架圆头部分的模态所致。根据附加质量对动特性的显著抑制作用，可在悬置被动端振动峰值处增加质量，降低峰值振动的传递。在整车状态，被动端支架所连接的车身结构比试验下夹具的刚度要弱，其模态频率将低于2 kHz。
悬置刚度和被动端质量变化对悬置高频动特性影响明显，降低悬置初始刚度或在被动端支架附加质量，能够有效降低悬置动刚度峰值，进而减小结构噪声传递。
为验证悬置刚度对高频动特性的影响规律进而影响整车结构噪声，
| 方案 | 电机位置 | 悬置位置及刚度 / (N∙m | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 提升20% | 前驱动 | 右前 | 左前 | 右后 | 左后 |
| 559.1 | 547.0 | 564.0 | 555.0 | ||
| 后驱动 | 前 | 左 | 右 | - | |
| 548.5 | 547.1 | 536.3 | - | ||
| 原状态 | 前驱动 | 右前 | 左前 | 右后 | 左后 |
| 429.8 | 410.7 | 389.3 | 469.5 | ||
| 后驱动 | 前 | 左 | 右 | - | |
| 443.7 | 412.7 | 445.9 | - | ||
| 降低20% | 前驱动 | 右前 | 左前 | 右后 | 左后 |
| 359.2 | 362.3 | 347.4 | 388.1 | ||
| 后驱动 | 前 | 左 | 右 | - | |
| 345.7 | 370.3 | 382.7 | - | ||
在滑行工况、电机转速为3 kr/min~9 kr/min下，测量不同刚度方案下车内主减速器阶次对比结果如
图11 不同刚度方案下车内主减速器阶次对比
Fig.11 Interior noise comparison of final drive order under different mount stiffness schemes
悬置被动端支架附加质量对悬置高频动特性影响显著，既降低峰值频率，又降低峰值水平。为此，在该悬置支架圆管结构上附加540 g质量，进行整车试验验证。被动端支架附加质量位置如
图12 被动端支架附加质量位置
Fig.12 Position of added mass on the passive end bracket
在3挡节气门全开加速工况，电机转速为500~6 500 r/min，测量驾驶员右耳噪声和悬置被动端加速度的主减速器阶次分量，被动端不同质量方案下车内噪声及悬置被动端振动的主减速器阶次对比如
图13 被动端不同质量方案下车内噪声及悬置被动端振动的主减速器阶次对比
Fig.13 Interior noise and bracket vibration comparison of final drive order under different mass schemes on mount bracket
综上，在悬置被动端支架增加质量能够显著改变悬置及其支架模态，降低结构噪声的传递，有效改善电动汽车主减速器阶次峰值噪声。质量方案的整车试验结果也说明了高频动特性试验研究结论的正确性。
1） 电动汽车电驱总成的激励频率分布较广，研究悬置高频动特性成为必要。设备升级换代，试验上限频率从传统500 Hz大幅提升到3 kHz，为高频动特性研究提供了试验条件。本研究对于试验方案、夹具设计与分析、高频试验与分析以及整车验证的全流程试验等具有参考意义。
2） 动特性试验频率高，试验边界条件的影响不可忽略。500 Hz内动特性随频率缓慢线性增加。500 Hz以上高频动特性受边界条件影响明显，存在多个峰值，主要影响因素为悬置刚度、悬置支架模态以及试验夹具模态。
3） 电驱总成悬置系统设计在保证抗扭能力基础上降低初始刚度，提升主动端支架模态频率，避免与主减速器阶次频率接近而恶化噪声。附加质量对高频动特性影响显著，在被动端支架附加质量可降低高频动刚度峰值，有效控制结构噪声。
参 考 文 献
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