孫玉玲1，何浩2，顏靜1，鄧濤3

(1.浙江阿爾法動力技術有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江 嘉興 314000；3.重慶交通大學 航空學院，重慶 400074)

摘要：針對新能源汽車驅動電動機噪聲大的問題，從新能源汽車中央電動機皮帶傳動結構的驅動總成形式入手，分析了不同徑向載荷和轉速下軸承的受力情況，采用西門子LMS便攜式振動噪聲分析儀對電動機噪聲來源進行分析，發現電動機嘀嗒聲可能由保持架與鋼球碰撞產生。提出采用工程塑料保持架進行降噪處理，對使用不同材料保持架的軸承進行噪聲對比，并分析了軸承徑向游隙對電動機噪聲的影響。結果表明，采用工程塑料保持架及較小游隙的軸承可有效降低新能源汽車驅動電機軸承噪聲。

關鍵詞：滾動軸承；深溝球軸承；新能源；電動機；噪聲；優化設計；工程塑料；徑向游隙

隨著國內外新能源汽車的快速發展，其噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise Vibration Harshness，NVH)等性能逐漸受到關注，成為衡量汽車品質的重要指標之一，如何降低新能源汽車的振動和噪聲也成為研究熱點。新能源汽車噪聲來自于輪胎、空氣動力、傳動系、電動機等方面，噪聲控制問題復雜。

國內外對新能源汽車噪聲的研究取得了一定成果：文獻[1]詳細介紹了汽車噪聲的主客觀評價方法、評價指標；文獻[2]分析了新能源汽車驅動總成噪聲的傳遞特性；文獻[3]分析了新能源汽車永磁同步電動機的噪聲產生機理和頻譜特征。與傳統燃油汽車發動機噪聲相比，新能源汽車驅動電動機噪聲頻率更高，往往處于人對噪聲的敏感頻帶，故電動機噪聲對整車的乘坐舒適性有重大影響。根據來源，電動機噪聲可分為機械噪聲、電磁噪聲和氣動噪聲[4]。

相關人員對電動機降噪也做了一定的研究：文獻[5]提出采用聲學包裹的方法優化噪聲，試驗證明該方法優化效果良好；文獻[6]通過對電動機殼體結構優化和電動機控制策略來降低車內噪聲，基本消除了電動機嘯叫噪聲；文獻[7]基于有限元軟件仿真分析了永磁同步電動機的電磁振動特性，并通過在電動機薄弱部位加筋來降低電動機噪聲。

目前,對降低電動機噪聲的研究大多集中在消除電動機電磁噪聲，如何消除電動機機械噪聲的研究較少。在此，對新能源汽車驅動電動機機械噪聲進行研究，分析電動機噪聲的來源及電機軸承的受力情況，從電機軸承材料、參數選擇對電機軸承進行優化。

不同類型的新能源汽車，其動力總成結構不同，典型代表有中央電動機橫置驅動結構、中央電動機直驅動力結構、中央電動機皮帶傳動結構和輪轂/輪邊電動機結構，每種動力總成結構都有其獨有的特點。選取中央電動機皮帶傳動動力總成為研究對象，如圖1所示。

圖1 中央電動機皮帶傳動結構

Fig.1 Belt drive structure of central motor

軸承是電動機的關鍵零部件，其選型至關重要。電動機結構設計的主要任務之一就是計算軸承設計壽命及疲勞壽命，確定軸承尺寸。軸承選型不僅要考慮潤滑脂老化引起的潤滑脂壽命、磨損、噪聲，還要根據電動機用途對軸承精度、配合、游隙、保持架、潤滑脂、密封結構、裝卸及其他特殊要求綜合評估[8]。

皮帶傳動結構(圖2)對電動機輸出端的皮帶徑向力與電動機轉子重力的夾角為60°。在不同轉速n下電動機輸出端持續受到不同的皮帶徑向拉力，電機軸承受力如圖3所示，將測力計安裝在皮帶上可測得皮帶徑向力，電動機前后端軸承所受徑向力與皮帶徑向力有如下關系

(1)

式中：Fnet為皮帶徑向力；F1,F2分別為電動機前后端軸承所受徑向力；Lnet為皮帶至電動機后端軸承的中心距；L1為電動機前后端軸承中心距。

1—電動機中心軸；2—電動機前端蓋；3—電動機后端蓋；4—電動機后端軸承；5—電動機前端軸承。

圖2 皮帶傳動結構示意圖

Fig.2 Diagram of belt drive structure

1—電動機中心軸；2—電動機輸出端；3—電動機前端蓋;4—電動機后端蓋。

圖3 電機軸承受力簡圖

Fig.3 Forces of motor bearing

根據(1)式可得在不同轉速n下電動機前后端軸承所受的徑向力，結果見表1。

表1 不同轉速下電機軸承所受徑向力

Tab.1 Radial forces of motor bearings under different rotational speeds

為分析電動機前后端軸承對噪聲的貢獻，制作了滿足壽命要求的10臺電動機作為試驗樣品，電動機前后端軸承分別選用6308-2Z/C3GJN，6206-2Z/C3GJN，主要參數見表2。

表2 電動機前后端軸承主要參數

Tab.2 Main parameters of front and rear bearings for motor

首先測試電動機工作性能，滿足要求后再測試NVH性能。

電動機安裝在測試臺架上，測試臺架原理同圖1，電動機前后端蓋表面各粘貼一個振動傳感器，麥克風懸置固定在距離小帶輪10 cm處。

空載下使電動機轉動，采用聲級計測得不同轉速下電動機噪聲分貝值在80 dB以下，表現正常。

將電動機裝上臺架并加載皮帶徑向力測試，調整皮帶徑向力為1 600 N，電動機轉速為300 r/min，使用聽診器聽到電動機發出嘀嗒聲。將電動機轉速增加到500 r/min，嘀嗒聲仍然存在。

進一步采用NVH專業設備(西門子LMS便攜式振動噪聲分析儀)采集電動機噪聲，分別在電動機前后端蓋布置振動傳感器，麥克風布置在小帶輪前端，電動機轉速分別為300，500 r/min時電動機噪聲頻譜如圖4所示。

由圖4a可知：電動機異常聲的頻率在2 800～3 000 Hz之間，噪聲頻率為

電動機轉軸轉動頻率為

可得電動機前端軸承保持架轉動頻率為

圖4 電動機噪聲頻譜

Fig.4 Frequency spectrum of motor noise

式中：Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節圓直徑；α為接觸角。

由圖4b可知：電動機異常聲的頻率同樣在2 800～3 000 Hz之間，噪聲頻率為

電動機轉軸轉動頻率為

保持架轉動頻率為

綜上分析可知：保持架轉動頻率與電動機異常聲頻率接近，初步判斷電動機嘀嗒聲是由保持架與鋼球(或軌道輪)碰撞產生。

保持架與鋼球之間存在間隙，撞擊所產生的振動無法完全避免。降低保持架噪聲的方法主要有：1)增大軸承裝配后的預緊量；2)優化保持架內圓兜孔直徑，減小間隙量；3)采用輕量化、耐沖擊、低噪聲、適合高速回轉的工程塑料保持架。根據軸承實際使用工況，選擇工程塑料保持架來降低噪聲。

選取工程塑料保持架C3游隙軸承與鋼保持架C3游隙軸承進行異常聲對比。同一尺寸的工程塑料保持架軸承有2種型號，采用油脂不同，使用溫度范圍也有差別,根據電動機實際裝車狀態，選擇耐溫范圍更寬的E2系列，主要參數見表3。

表3 尼龍保持架軸承主要參數

Tab.3 Main parameters of bearing with nylon cage

選取3臺電動機，對3臺電動機的前后端軸承進行了一系列的排列組合試裝，驗證電動機是否有異常聲，結果見表4。

由表4可知：僅在前后端軸承全部換成工程塑料保持架時電動機異常聲才會消失，這也驗證了先前的測試結論。

為進一步驗證，選擇NVH測試設備對3臺前后端軸承均換為工程塑料保持架的電動機進行測試。在不同皮帶徑向力和轉速下采集的裝有鋼保持架C3游隙軸承和工程塑料保持架C3游隙軸承的電動機噪聲頻譜如圖5所示，鋼保持架軸承的噪聲要高于工程塑料保持架。

表4 不同軸承組合下電動機噪聲表現

Tab.4 Noise performances of motor with different bearing combinations

綜上分析可知，采用工程塑料保持架可降低噪聲。

圖5 不同徑向力和轉速下電動機噪聲頻譜

Fig.5 Frequency spectrum of motor noise under different radial forces and rotational speeds

大多數情況下，軸承運行時需留有一定的游隙，最佳工作游隙一般為接近于零的正值。軸承類型和尺寸不同，安裝前的初始游隙和安裝后的允許游隙減小量也不同。過盈配合時游隙減小量大，則需要更大的初始游隙，以防止軸承預緊量過小(負游隙)。

預緊有好處，也有風險。對軸承剛性要求較高，或軸承存在極輕載荷或無外載荷時，需要輕微預緊。若預緊量過大，可能導致軸承過熱，進一步增加預緊、摩擦和熱量。該情況將一直持續，直至軸承被卡死。

要確定軸承初始游隙，需首先確定軸承運轉時所需的工作游隙。影響軸承工作游隙的因素很多，要綜合考慮軸承公差、配合和組件溫度的影響。軸承所需初始游隙可表示為

G=Gop+ΔGfit+ΔGtemp，

(2)

式中：Gop為軸承工作游隙；ΔGfit為由配合引起的游隙減小量；ΔGtemp為由溫差引起的游隙減小量。

對裝有不同游隙軸承的電動機進行噪聲測試，試驗方案見表5(除游隙外，軸承其余參數均相同)。前后端軸承游隙由C3調整至CN時，根據壽命計算，油脂壽命增加了16.7%，軸承壽命增加了6.9%，均滿足壽命要求，裝機測試無異常聲。電動機噪聲頻譜如圖6所示：游隙越小，電動機噪聲越小。

表5 不同游隙軸承組合時電動機噪聲表現

Tab.5 Noise performances of motor with bearing of different clearance combinations

針對新能源汽車驅動電動機機械噪聲問題進行研究，對電機軸承的受力情況及電動機噪聲來源進行分析，并提出采用工程塑料保持架來代替鋼保持架，以及選取合適的軸承游隙來降低電動機噪聲的方法。試驗結果表明，該方法可以有效降低電動機噪聲。

圖6 不同游隙下電動機噪聲頻譜

Fig.6 Frequency spectrum of motor noise under different clearances

參考文獻：

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[3] 張守元,李玉軍,楊良會.某電動汽車車內噪聲改進與聲品質提升[J].汽車工程,2016,38(10):1245-1251.

[4] 《中國公路學報》編輯部.中國汽車工程學術研究綜述·2017[J].中國公路學報,2017,30(6):1-197.

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[6] 劉小華,莫崇衛,蔣帥,等.某純電動汽車驅動電動機噪聲分析與優化[J].噪聲與振動控制,2019,39(5):68-72,95.

[7] BAI G Y.Numerical simulation and optimization for electromagnetic noises of permanent magnet synchronous motors in vehicles[J].Journal of Vibroengineering,2018,20(1):701-717.

[8] 宋昌才.電機軸承使用手冊[M].北京:化學工業出版社,2009.