第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
随着经济与社会的发展居民生活水平的提高，私家车的拥有量也一直呈上升趋势，燃油汽车的增多导致了汽车尾气污染和能源的短缺，能源的快速消耗问题和汽车尾气导致的环境污染问题日益突显，使世界各个国家对新能源汽车的发展更加重视。针对这种情况我国从政策制定了一系列措施来鼓励和推广新能源汽车，例如购买新能源汽车时购置税的减免、新能源汽车不限行不限号、大量的建设充电站等措施，针对汽车企业采用双积分政策、新能源汽车补贴政策。
新能源汽车的发展主要意义主要包括：第一有利于提高经济效益，纯电动汽车不使用燃油，混合动力车可以使发动机一直在高效率区间运行，可以有效的提升燃油利用率，从多方面提高经济效益；第二有利于减少对环境的污染，金山银山不如绿水青山，说明我国对生态环境建设的重视，目前各大城市的机动车尾气排放是环境污染的主要来源之一，推动新能源汽车的发展可以减少有害气体的排放，减少大气污染负荷；第三有利于优化能源消费结构，新能源汽车减少了对燃油的消耗，传统能源可以利于到其它经济发展方面，起到节省资源的主要目的，优化能源消费结构。
1.1 课题研究背景
随着经济与社会的发展居民生活水平的提高，私家车的拥有量也一直呈上升趋势，燃油汽车的增多导致了汽车尾气污染和能源的短缺，能源的快速消耗问题和汽车尾气导致的环境污染问题日益突显，使世界各个国家对新能源汽车的发展更加重视。针对这种情况我国从政策制定了一系列措施来鼓励和推广新能源汽车，例如购买新能源汽车时购置税的减免、新能源汽车不限行不限号、大量的建设充电站等措施，针对汽车企业采用双积分政策、新能源汽车补贴政策。
新能源汽车的发展主要意义主要包括：第一有利于提高经济效益，纯电动汽车不使用燃油，混合动力车可以使发动机一直在高效率区间运行，可以有效的提升燃油利用率，从多方面提高经济效益；第二有利于减少对环境的污染，金山银山不如绿水青山，说明我国对生态环境建设的重视，目前各大城市的机动车尾气排放是环境污染的主要来源之一，推动新能源汽车的发展可以减少有害气体的排放，减少大气污染负荷；第三有利于优化能源消费结构，新能源汽车减少了对燃油的消耗，传统能源可以利于到其它经济发展方面，起到节省资源的主要目的，优化能源消费结构。
新能源汽车按能源类型分为混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和纯电动汽车（Electric Vehicle，EV），本文所说的新能汽车主要为纯电动汽车。由于纯电动汽车驱动源由电机总成代替了内燃机总成，原有内燃机总成的“掩蔽效应”也随之消失，背景噪声的减小使纯电动车产生的中高频噪声更加突出，并且人耳对中高噪声更加敏感。这也使纯电动汽车在 NVH 方面面临更大的挑战。汽车 NVH 技术是汽车研发的核心技术之一。NVH 指的是噪声（Noise）、振动（Vibration）和声振粗糙度（Harshness）。乘员在汽车中一切听觉和触觉感受都属于汽车 NVH 的研究范围[1]。
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1.2 电动汽车 NVH 性能研究现状
1.2.1 国外研究现状
1999 年，福特公司通过对比研究纯电动汽车和传统燃油车辆车内噪声发现：由于缺乏发动机的掩蔽效应，电动汽车主要问题为风噪和变速箱行星齿轮的噪声，而且在 50-60 英里每小时的工况下，相同的声压级和响度的风噪声在纯电动车内会令人感觉烦躁；而在加减速过程中齿轮噪声成为主要的噪声源[2]。
2001 年，丰田公司对其混动车丰田普锐斯从混动模式、燃油效率、启动 NVH性能、低速车辆振动噪声、电动机和发电机的振动噪声和整车 NVH 性能六个方面进行了分析研究，为后期混动车 NVH 性能提升提供了思路[3]。
2010 年 AVL 研究中心的 Alfred Rust 和 Bernhard J. Graf 针对增程式电动车的NVH 系统进行了研究，他们发现增程式电动车主要 NVH 问题在发动机低转速时主要是进排气问题，发动机高转速主要为发动机内部不平衡质量导致[4]。
2011 年比利时 LMS 公司对电车的轮毂电机噪声进行了研究[5]，三菱电机公司通过使用相干技术对纯电动汽车的车内噪声进行了分解和从新组合[6]，PascalAudrain Hutchinson 研究中心使用主动控制技术研究纯电动汽车噪声并根据研究设计了噪声主动控制器[7]，EunGyeong Shin 等人对有轨电动汽车的车内噪声进行了分析和研究[8]；Goetchius Greg 通过对电动车车内噪声进行分析总结出电动车车内噪声中各类噪声的占比[9]。
2012年LMS 公司的Herman Van der Auweraer 和 Karl Janssens 通过对纯电动汽车和混动汽车的研究提出噪声可以从噪声源-传递路径-目标点三个方向进行整改，并在这三个方面进行了详细的阐述，并且与传动燃油车进行 NVH 方面对比分析并提出开发 VRU(Vulnerable Road Users)一种车辆行驶时的提示声音[10]；Klaus Genuit 针对纯电动车车内的声音特点进行了总结分析并与传统燃油车车内噪声进行对比分析[11-12]。
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第 2 章 纯电动汽车车内噪声分析
2.1 纯电动汽车车内噪声特点
2.1.1 纯电动车辆与传统内燃机车辆结构差异
由于纯电动汽车与传统内燃机车辆（汽油车和柴油车）在动力系统、能量源系统、电器系统和制动系统上的不同导致了两类汽车车内噪声有不同的特点，两类车辆的主要结构差异见表 2-1。
动力系统方面：内燃机车辆通过发动机产生动力通过变速器改变传动比进而驱动车辆前行，由于内燃机的转速范围较窄最高到 5000rpm 左右，需要变速器多个传动比来使车辆在不同车速下发动机转速都在效率较高的区间工作；由于发动工作特性需要相关附件来给发动机提供工作的环境，所有发动机会有很多附件系统如：进气系统、排气系统、燃油供给系统、润滑系统等。纯电动车辆动力系统包括电机、电机减速器和电机控制器如图 2-1 所示，电机产生动力通过减速器改变传动比进而驱动车辆前行，由于电机的转速范围较宽最高可至 10000rpm 左右，低转速就有高扭矩，所以从静止到高速的过程，只需要简单提高转速就可以完成了，不需要多次改变传动比，所以纯电动车辆一般只有一个传动比；至于电机的附件只需要润滑系统就可以了。
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1.2.1 国外研究现状
1999 年，福特公司通过对比研究纯电动汽车和传统燃油车辆车内噪声发现：由于缺乏发动机的掩蔽效应，电动汽车主要问题为风噪和变速箱行星齿轮的噪声，而且在 50-60 英里每小时的工况下，相同的声压级和响度的风噪声在纯电动车内会令人感觉烦躁；而在加减速过程中齿轮噪声成为主要的噪声源[2]。
2001 年，丰田公司对其混动车丰田普锐斯从混动模式、燃油效率、启动 NVH性能、低速车辆振动噪声、电动机和发电机的振动噪声和整车 NVH 性能六个方面进行了分析研究，为后期混动车 NVH 性能提升提供了思路[3]。
2010 年 AVL 研究中心的 Alfred Rust 和 Bernhard J. Graf 针对增程式电动车的NVH 系统进行了研究，他们发现增程式电动车主要 NVH 问题在发动机低转速时主要是进排气问题，发动机高转速主要为发动机内部不平衡质量导致[4]。
2011 年比利时 LMS 公司对电车的轮毂电机噪声进行了研究[5]，三菱电机公司通过使用相干技术对纯电动汽车的车内噪声进行了分解和从新组合[6]，PascalAudrain Hutchinson 研究中心使用主动控制技术研究纯电动汽车噪声并根据研究设计了噪声主动控制器[7]，EunGyeong Shin 等人对有轨电动汽车的车内噪声进行了分析和研究[8]；Goetchius Greg 通过对电动车车内噪声进行分析总结出电动车车内噪声中各类噪声的占比[9]。
2012年LMS 公司的Herman Van der Auweraer 和 Karl Janssens 通过对纯电动汽车和混动汽车的研究提出噪声可以从噪声源-传递路径-目标点三个方向进行整改，并在这三个方面进行了详细的阐述，并且与传动燃油车进行 NVH 方面对比分析并提出开发 VRU(Vulnerable Road Users)一种车辆行驶时的提示声音[10]；Klaus Genuit 针对纯电动车车内的声音特点进行了总结分析并与传统燃油车车内噪声进行对比分析[11-12]。
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第 2 章 纯电动汽车车内噪声分析
2.1 纯电动汽车车内噪声特点
2.1.1 纯电动车辆与传统内燃机车辆结构差异
由于纯电动汽车与传统内燃机车辆（汽油车和柴油车）在动力系统、能量源系统、电器系统和制动系统上的不同导致了两类汽车车内噪声有不同的特点，两类车辆的主要结构差异见表 2-1。
动力系统方面：内燃机车辆通过发动机产生动力通过变速器改变传动比进而驱动车辆前行，由于内燃机的转速范围较窄最高到 5000rpm 左右，需要变速器多个传动比来使车辆在不同车速下发动机转速都在效率较高的区间工作；由于发动工作特性需要相关附件来给发动机提供工作的环境，所有发动机会有很多附件系统如：进气系统、排气系统、燃油供给系统、润滑系统等。纯电动车辆动力系统包括电机、电机减速器和电机控制器如图 2-1 所示，电机产生动力通过减速器改变传动比进而驱动车辆前行，由于电机的转速范围较宽最高可至 10000rpm 左右，低转速就有高扭矩，所以从静止到高速的过程，只需要简单提高转速就可以完成了，不需要多次改变传动比，所以纯电动车辆一般只有一个传动比；至于电机的附件只需要润滑系统就可以了。
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2.2 车辆噪声测试
2.2.1 车辆介绍和主观评价
研究车辆为三厢四门五座纯电动轿车，驱动电机前横置前轮驱动，电动助力转向，车辆前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为纵臂扭转梁复合式悬架，轮胎为无内胎子午线轮胎。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）由于高效区宽、转矩密度高、结构紧凑等诸多优点而成为电动汽车的主要驱动电机类型之一[56]。本文研究的纯电动汽车采用永磁交流同步电机，电机为 10 极 60 槽（极对数p=5），电机定子结构如图 2-5 所示，转子结构如图 2-6 所示，电机详细参数如表2-2 所示；电机减速器为二级三轴减速器,减速器结构如图 2-7 所示，主要齿轮齿数如表 2-3 所示，此减速器齿轮速比为 8.28；车辆采用三元锂电池电池组，电池额定电压 380V 电池组额定电量 38.5Kwh。
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2.2.1 车辆介绍和主观评价
研究车辆为三厢四门五座纯电动轿车，驱动电机前横置前轮驱动，电动助力转向，车辆前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为纵臂扭转梁复合式悬架，轮胎为无内胎子午线轮胎。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）由于高效区宽、转矩密度高、结构紧凑等诸多优点而成为电动汽车的主要驱动电机类型之一[56]。本文研究的纯电动汽车采用永磁交流同步电机，电机为 10 极 60 槽（极对数p=5），电机定子结构如图 2-5 所示，转子结构如图 2-6 所示，电机详细参数如表2-2 所示；电机减速器为二级三轴减速器,减速器结构如图 2-7 所示，主要齿轮齿数如表 2-3 所示，此减速器齿轮速比为 8.28；车辆采用三元锂电池电池组，电池额定电压 380V 电池组额定电量 38.5Kwh。
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第 3 章 动力总成激励源研究.......................................22
3.1 电机噪声产生机理................................ 22
3.1.1 电机噪声产生机理............................22
3.1.2 电机激励源分析.................................25
第 4 章 模态分析和传递路径分析.............................36
4.1 模态分析理论....................................... 36
4.1.1 模态分析理论基础..............................36
4.1.2 有限元模态分析过程.....................................39
第 5 章 噪声优化控制...................................62
5.1 电机噪声控制......................................... 62
5.2 减速器噪声控制.............................. 66
5.3 本章小结................................66
第 5 章 噪声优化控制
5.1 电机噪声控制
针对电机噪声问题，以上章节分析如下：电机存在一阶齿谐波 60 阶电磁激励，壳体在 5000Hz-6000Hz 存在模态导致电机壳体共振放大 60 阶电磁振动，壳体振动变大导致辐射噪声变大；通过测试机舱至车内声声传递函数数据发现5000Hz 以上声声传递数据超出目标值，路径上该频段隔声效果较差。综合上述针对电机噪声我们可以从以下方面进行控制：
激励源方向：降低一阶齿谐波激励、增强电机壳体模态频率或降低壳体振动灵敏度避免结构共振放大噪声、对电机进行包裹来减弱电机辐射至车内噪声；
路径方面：增加机舱至车内 5000Hz 以上隔声量确保隔声效果。
但是考虑到降低声声传递函数峰值需要对前围、前风挡、地板等部件进行声学包优化成本和周期较长，所以针对此问题对激励源即电机进行优化。优化方案从以下三个方面进行：优化电机电磁激励，可以通过增大电机气隙间隙等方案；优化电机壳体模态，增厚加强筋方案；优化电机声学包方案。
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结论与展望
本文针对纯电动汽车动力总成噪声突出问题，对电机电磁噪声和减速器啸叫产生的机理进行了阐述，以响应等于激励源乘以传递路径为思路对噪声问题进行分析。对电机电磁噪声和减速器高阶次啸叫从降低激励源方向进行了优化，对减速器低阶次啸叫通过优化路径上的共振解决；最后将优化方案进行实车验证，车内各个阶次噪声分别降低达标，最终车辆达到上市要求。本文的主要研究内容和结论如下：
（1）针对纯电动汽车结构特点和车内噪声特点进行分析总结，得出动力总成噪声为纯电动汽车工作中的主要噪声源。以某公司纯电动汽车为研究对象，使用西门子 LMS Test Lab 设备进行不同工况下车内噪声、近场噪声和电机减速器振动测试，并采用频谱分析法、滤波分析法、阶次分析等方法对数据进行分析，确定了不同工况下车内噪声的问题阶次。
本文针对纯电动汽车动力总成噪声突出问题，对电机电磁噪声和减速器啸叫产生的机理进行了阐述，以响应等于激励源乘以传递路径为思路对噪声问题进行分析。对电机电磁噪声和减速器高阶次啸叫从降低激励源方向进行了优化，对减速器低阶次啸叫通过优化路径上的共振解决；最后将优化方案进行实车验证，车内各个阶次噪声分别降低达标，最终车辆达到上市要求。本文的主要研究内容和结论如下：
（1）针对纯电动汽车结构特点和车内噪声特点进行分析总结，得出动力总成噪声为纯电动汽车工作中的主要噪声源。以某公司纯电动汽车为研究对象，使用西门子 LMS Test Lab 设备进行不同工况下车内噪声、近场噪声和电机减速器振动测试，并采用频谱分析法、滤波分析法、阶次分析等方法对数据进行分析，确定了不同工况下车内噪声的问题阶次。
（2）对纯电动汽车动力总成的电机、电机控制器、减速器产生振动噪声的机理进行分析，并结合实际情况对研究车辆的电机噪声、电机控制器噪声和减速器噪声进行激励原因和大小分析。针对电机噪声基本确定：激励源较大需要整改；电机控制器近场噪声满足经验目标且车内无控制器噪声不需要整改；两个减速器噪声问题需要分别需要从源和传递路径上进行整改。
（3）首先依据模态理论原理进行有限元模态过程分析和试验模态过程分析，以前副车架为例通过有限元软件 ANSA、Nastron、Hyperview 进行了模态分析，使用 LMS 设备进行了模态试验测试，通过对比仿真分析结果和试验测试结果的误差率验证了仿真分析的准确性。其次根据传递路径原理对纯电动车车内噪声产生的路径进行分析，通过实际的声声传递函数测试和振声传递函数测试来确定电机噪声和减速器噪声在路径上的问题点。
（4）从激励源、路径两个方面对问题部件进行结构优化。针对电机噪声问题：通过电机壳体加强方案使车内 60 阶噪声车速在 70-110Km/h 平均降低 12.0dB(A)；针对减速器噪声：减速器高阶次啸叫通过减小齿轮法向压力角方案使车内 22 阶噪声在车速 50-20Km/h 时平均降低 7.2 dB(A)，减速器低阶次啸叫通过在前副车架增加加强梁和质量方案使车内 8.58 阶噪声在车速 80-90Km/h 时峰值降低 5.1 dB(A)。
（4）从激励源、路径两个方面对问题部件进行结构优化。针对电机噪声问题：通过电机壳体加强方案使车内 60 阶噪声车速在 70-110Km/h 平均降低 12.0dB(A)；针对减速器噪声：减速器高阶次啸叫通过减小齿轮法向压力角方案使车内 22 阶噪声在车速 50-20Km/h 时平均降低 7.2 dB(A)，减速器低阶次啸叫通过在前副车架增加加强梁和质量方案使车内 8.58 阶噪声在车速 80-90Km/h 时峰值降低 5.1 dB(A)。
参考文献（略）