摘要

針對啟動抖動會嚴重影響整車ＮＶＨ 性能的問題，研究了某ＳＵＶ 混動車型啟動工況下的整車抖動問題，確定了啟動抖動產(chǎn)生的根本原因。通過制定一系列的試驗方案進行對比分析，并結(jié)合ＬＭＳ 測試數(shù)據(jù)進行時域分析，明確導致整車啟動抖動的根本原因是啟動電機拖動發(fā)動機過程中扭矩波動導致。根據(jù)“源－路徑－響應(yīng)”思路制定優(yōu)化方案，對懸置與電機進行優(yōu)化。實車測試表明：優(yōu)化后整車抖動量級明顯減小，滿足開發(fā)目標要求，證實了該優(yōu)化方案可以有效解決啟動抖動問題。

車輛ＮＶＨ 即噪聲、振動與舒適性，是衡量汽車質(zhì)量的一個重要指標，也是整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的車輛指標之一［１］。尤其汽車啟停工況，更是用戶感知最敏感的工況之一，啟停時的平順性和啟動噪聲是車輛的主要評價指標。目前，市售主流的混合動力系統(tǒng)有以豐田普銳斯為代表的動力分流雙電機混聯(lián)混合動力系統(tǒng)，以比亞迪秦和大眾途銳為代表的單電機并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，以本田雅閣和上汽榮威為代表的雙電機串并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。

通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)對混動汽車啟停抖動問題的研究較少［２ －５］。王道勇等［６］僅從懸置角度出發(fā)對發(fā)動機啟停時動力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計方法進行研究。胡云峰［７］、林歆悠［８］、喻金龍［９］等基本是從標定角度出發(fā)對啟動沖擊問題進行理論控制研究，但對工程應(yīng)用研究較少。因此，本文從啟動抖動現(xiàn)象進行逐步分析，對可能引起啟動抖動的原因進行深層次的分析，同時采用不同的試驗方案進行排查，最后針對啟動抖動現(xiàn)象提出了可行的解決方案，具有較強的參考意義。

1  混動總成結(jié)構(gòu)及啟動振動現(xiàn)象

本文研究對象為可插電式混動汽車（ＰＨＥＶ），采用動力分流雙電機混聯(lián)混合動力方案（ＰＳ 方案）。動力配置為１．８ 自然吸氣＋ＣＨＳ 動力合成箱，系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖１ 所示，原理如圖２ 所示。


圖１　動力合成箱機械結(jié)構(gòu)示意圖


圖２　動力合成箱原理

由圖２ 的動力合成箱原理可知，該系統(tǒng)通過行星齒輪機構(gòu)對發(fā)動機進行功率分流，發(fā)動機功率一部分通過機械路徑傳遞輸出，另一部分通過電功率路徑傳遞到電動機輸出。該方案采用雙電機調(diào)速，可獲得更高的燃油經(jīng)濟性，同時可避免多種模式切換帶來的轉(zhuǎn)矩中斷。
對ＰＨＥＶ 車型的樣車進行ＮＶＨ 性能實測時發(fā)現(xiàn)，車輛啟動（發(fā)動機點火）時和行車過程中發(fā)動機介入時整車抖動嚴重，啟動過程伴隨“哐哐”聲。抖動過程中有２ 次以上的抖動沖擊，且抖動衰減時間長，收斂速度慢，主觀感受極差。啟動工況時，座椅導軌處振動測試結(jié)果如圖３ 所示，頻譜分析結(jié)果如圖４ 所示。測試結(jié)果表明：啟動過程中座椅導軌處振動峰值為０．０９ｇ，遠大于目標值０．０５ｇ，振動峰值頻率為１１．２７ Ｈｚ。查閱相關(guān)文獻可知：人體器官的頭部固有頻率為８ ～１２ Ｈｚ，肢體為１０ ～１２ Ｈｚ，所以人體對該頻率段的振動較敏感［８］，而在這個頻率段內(nèi)集中著動力總成的多個剛體模態(tài)，懸架系統(tǒng)模態(tài)、整車剛體模態(tài)等多個模態(tài)，這些系統(tǒng)都無法避開該頻率區(qū)域，因此應(yīng)通過找到激勵源并減少激勵或者通過優(yōu)化懸置傳遞等途徑來解決此問題。


圖３　振動測試結(jié)果


圖４　振動測試頻譜圖結(jié)果

2  啟動過程控制邏輯

傳統(tǒng)自動擋燃油車由于有離合器和液力變矩器，在發(fā)動機啟停時將發(fā)動機和傳動系統(tǒng)斷開，故啟動時負載相對較小。該型混動車輛在啟動和熄火時，發(fā)動機與傳動系統(tǒng)處于連接狀態(tài)，負載相對較大，其啟動過程的實現(xiàn)和控制邏輯會更加復雜。因此，對混合動力的汽車來說，發(fā)動機啟停熄火過程所引起的ＮＶＨ 問題更為復雜。

本款車型啟動時，ＨＣＵ 接收到啟動信號后發(fā)送發(fā)動機啟動請求及啟動模式信號給ＥＭＳ。同時，ＨＣＵ 發(fā)送請求信號到Ｅ２ 號電機，使其拖動發(fā)動機由靜止狀態(tài)達到目標轉(zhuǎn)速９００ ｒ／ｍｉｎ。ＥＭＳ接收到ＨＣＵ 的命令后，調(diào)整噴油系統(tǒng)狀態(tài)后向ＨＣＵ 發(fā)送噴油請求，而后ＨＣＵ 向ＥＭＳ 發(fā)送允許噴油指令。ＥＭＳ 接收到允許噴油指令后開始噴油和點火。在此過程中，ＥＭＳ通過曲軸轉(zhuǎn)速傳感器接收曲軸轉(zhuǎn)速信號，判斷發(fā)動機轉(zhuǎn)速是否高于目標轉(zhuǎn)速。若大于目標轉(zhuǎn)速，ＥＭＳ 發(fā)出點火成功標志位；若沒有該信號，則表示點火失敗。點火控制邏輯過程如圖５ 所示。


點火過程中，Ｅ２ 號電機扭矩不會中斷，并且Ｅ２ 號電機會一直通過行星齒輪機構(gòu)和發(fā)動機的輸出軸剛性連接。因此，采用該種啟動方案的車型，其啟動過程可分成２ 個主要階段。第１ 階段是Ｅ２ 號啟動電機拖動發(fā)動機到目標轉(zhuǎn)速過程，第２ 階段是發(fā)動機在目標轉(zhuǎn)速噴油點火過程。

3  啟動抖動的機理分析

根據(jù)對啟動過程的分析結(jié)果可知，本文的啟動抖動現(xiàn)象可能發(fā)生在拖動階段，也可能由于發(fā)動機噴油點火激勵大造成沖擊力大引起整車抖動。在拖動階段，啟動頻率與動力總成俯仰模態(tài)共振或者啟動扭矩不足會導致啟動抖動，在點火啟動瞬間沖擊大但懸置緩沖或者隔振不足也會導致啟動抖動。

由于啟動抖動過程屬于瞬態(tài)響應(yīng)過程，難以通過建模進行虛擬分析，本文基于上述機理分析，制定了以下試驗方案對上述可能引起啟動抖動問題的機理進行排查分析。

３.１　模態(tài)共振

電機Ｅ２ 拖動發(fā)動機到目標轉(zhuǎn)速９００ ｒ／ｍｉｎ，電機Ｅ２ 的轉(zhuǎn)速由０ 到１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，拖動過程中電機的主要激勵頻率范圍為０ ～１５０ Ｈｚ，發(fā)動機的激勵頻率范圍０ ～３０ Ｈｚ，該激勵可能激起動力總成剛體模態(tài)和傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)。為驗證拖動過程中動力總成剛體模態(tài)或者傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)是否被激勵起來，制定如下試驗，如表１ 所示。通過主觀評價和測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并無明顯改善效果，因此該種可能原因被排除。



３.２　發(fā)動機點火激勵

拔掉發(fā)動機的所有點火線圈，使發(fā)動機無法成功點火，并通過ＯＢＤ 接口讀取發(fā)動機轉(zhuǎn)速，同時在座椅導軌布置振動加速度傳感器拾取該處振動信號，測試數(shù)據(jù)如圖６ 所示。


圖3 基于電池模組損傷容限的電動汽車動力電池防護設(shè)計方法流程圖

通過時域?qū)Ρ确治霭l(fā)現(xiàn)，整車抖動最大的時刻發(fā)生在電機拖動發(fā)動機過程中，且在相同時刻拖動電機的扭矩發(fā)生明顯波動。由此可以看出：沖擊抖動與發(fā)動機點火階段無關(guān)；沖擊抖動發(fā)生在拖動階段。

３.３　發(fā)動機氣缸背壓

拔掉發(fā)動機的所有點火線圈并使節(jié)氣門完全打開減小氣缸背壓，與原狀態(tài)的座椅導軌處振動測試結(jié)果對比如圖７ 所示。


由圖７ 可知：拔掉發(fā)動機的點火線圈后，座椅導軌處的振動峰值比原狀態(tài)有明顯降低，且主觀感受啟動抖動和“哐框”聲相對原狀態(tài)有明顯改變。由此可知，發(fā)動機背壓是影響啟動沖擊的原因之一。

３.４　啟動電機力矩

在原狀態(tài)基礎(chǔ)上，僅將Ｅ２ 電機的啟動扭矩由原狀態(tài)的１４０ Ｎ·ｍ 增大到２００ Ｎ·ｍ，與原狀態(tài)的座椅導軌處振動測試數(shù)據(jù)對比如圖８ 所示。

圖８　測試結(jié)果對比

由圖８ 可知：電機扭矩加大后，座椅導軌處抖動峰值由原狀態(tài)的０．０９ｇ 降低到０．０４９ｇ，且通過主觀評價發(fā)現(xiàn)啟動過程中的沖擊抖動和“哐框”聲主觀感受有明顯改善，評價結(jié)果和客觀測試一致，說明電機Ｅ２ 拖動扭矩是影響啟動沖擊的因素之一。

基于上述測試方案所得結(jié)果，可以進一步得知：啟動Ｅ２ 電機拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)速由靜止狀態(tài)沖到目標轉(zhuǎn)速的過程中，節(jié)氣門始終關(guān)閉，導致發(fā)動機的被拖過程中倒拖扭矩波動大。同時，Ｅ２ 電機的拖動扭矩相較發(fā)動機倒拖扭矩較小，無法避免發(fā)動機倒拖扭矩的影響，進而導致動力合成箱輸出扭矩波動大，引起啟動沖擊抖動問題。

4  啟動振動問題解決方案

４.１　提升啟動電機啟動力矩

選擇電機Ｅ２ 的拖動扭矩范圍為１６０ ～２２０ Ｎ·ｍ，座椅導軌處的振動峰值測試結(jié)果如圖９ 所示。由圖９ 可知，電機拖動扭矩可以有效擾動座椅導軌處振動情況，進而解決啟動沖擊問題。選擇拖動扭矩２００ Ｎ·ｍ 時啟動效果最好，基本滿足開發(fā)目標要求。



４.２　調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣

門開度電機Ｅ２ 拖動發(fā)動機過程中，使節(jié)氣門由常閉狀態(tài)打開到３０％開度，以減小氣缸背壓從而減小倒拖扭矩。通過測試和主觀評價發(fā)現(xiàn)，該方案對啟停抖動有明顯改善，說明該優(yōu)化方案為有效方案。但該方案實施過程需第三方標定介入，周期較長。

綜合以上優(yōu)化方案，考慮動力電池的峰值放電功率以及懸置耐久等多項指標，制定最終的優(yōu)化方案：電機Ｅ２ 拖動扭矩加大到１９０ Ｎ·ｍ，與此同時后懸置Ｘ 向剛度加大到２４０ Ｎ ／ｍｍ，該方案的座椅導軌處振動測試結(jié)果如圖１０ 所示。由圖１０可知：連續(xù)１０ 次啟動峰值均低于０．０５ｇ，滿足開發(fā)目標要求。



5  結(jié)束語

本文以國產(chǎn)某混動車型為研究對象進行機理分析，并制定一系列試驗方案尋找啟動過程中的整車抖動原因，最終確定整車抖動的原因為電機Ｅ２ 拖動發(fā)動機過程中扭矩波動導致。通過“源－路徑－響應(yīng)”的分析思路，分別制定了不同的優(yōu)化方案，綜合考慮各種因素，選擇了一種組合方案解決啟動抖動問題，驗證了該優(yōu)化方案的有效性。該啟動抖動問題的排查方法和解決方法可為類似工程問題提供借鑒。


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