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混合動(dòng)力汽車噪聲和振動(dòng)特性及其控

2021-12-06 09:00:12·  來(lái)源：汽車NVH云講堂  作者：汽車技術(shù)  
　
【摘要】針對(duì)某雙行星排功率分流式混合動(dòng)力車型存在的噪聲及振動(dòng)沖擊問(wèn)題，基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析了由于激勵(lì)源變化而帶來(lái)的噪聲和振動(dòng)特性的變化，并提出了相應(yīng)的解
【摘要】針對(duì)某雙行星排功率分流式混合動(dòng)力車型存在的噪聲及振動(dòng)沖擊問(wèn)題，基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析了由于激勵(lì)源變化而帶來(lái)的噪聲和振動(dòng)特性的變化，并提出了相應(yīng)的解決方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)附件連接管路進(jìn)行隔振處理或?qū)⒏郊误w布置在動(dòng)力總成上，可有效降低附件工作噪聲；整車控制程序優(yōu)化以及懸置剛度曲線合理設(shè)計(jì)可解決啟停沖擊問(wèn)題；通過(guò)齒形修形可降低合成箱齒輪嘯叫；通過(guò)優(yōu)化懸架襯套剛度及胎面膠的結(jié)構(gòu)可降低振動(dòng)的傳遞，達(dá)到降低路面噪聲的目的。
主題詞：混合動(dòng)力汽車 噪聲振動(dòng)控制
1前言
混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)及制動(dòng)策略與傳統(tǒng)燃油車存在較大不同，其激勵(lì)源的變化帶來(lái)了噪聲和振動(dòng)特性的變化?；旌蟿?dòng)力汽車的行駛工況可不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，其主要工作模式為純電工作模式和混動(dòng)工作模式。在純電工作模式下，由于缺少發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的遮蔽，導(dǎo)致附件噪聲、路噪及齒輪和電機(jī)的嘯叫尤為顯著，且噪聲頻率高，易被乘客感知；在混動(dòng)模式下，頻繁的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、熄火等過(guò)程也將帶來(lái)突出的振動(dòng)沖擊問(wèn)題。為此，以某款雙行星排功率分流式混合動(dòng)力車型為例，針對(duì)由于激勵(lì)源變化而帶來(lái)的噪聲和振動(dòng)特性的變化進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。
2混合動(dòng)力車型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
以某款混合動(dòng)力車型為研究對(duì)象，其動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。該系統(tǒng)主要由內(nèi)燃機(jī)及電動(dòng)CVT變速器組成，電動(dòng)CVT變速器由雙電機(jī)（電機(jī)E1、電機(jī)E2）、雙排行星排、主減速器及差速器組成。發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)E1、電機(jī)E2作為動(dòng)力輸入，經(jīng)過(guò)雙行星排再由齒圈輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)功率分流。

該混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有純電工作模式（EV）和混動(dòng)工作模式。圖2為純電（EV）工作模式，此模式下制動(dòng)器B1鎖止，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，由電機(jī)E1和E2提供動(dòng)力，最高車速為100km/h，此模式下可實(shí)現(xiàn)純電行駛工況即電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛及制動(dòng)能量回收工況。圖3為混動(dòng)工作模式，其中HEV1模式為中高速行駛工況，車速一般為50km/h以上，為提高燃油效率，制動(dòng)器B2鎖止，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)E2共同作為動(dòng)力源輸出動(dòng)力，此模式下可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，以及給電池充電、制動(dòng)能量回收等功能；在低中速及急加速工況下，HEV2模式下由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)E1和E2共同驅(qū)動(dòng)車輛，此模式下可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛且給動(dòng)力電池充電、發(fā)動(dòng)機(jī)只給動(dòng)力電池充電、電機(jī)制動(dòng)能量回收等功能。

3混合動(dòng)力車型噪聲和振動(dòng)特性
3.1純電(EV)模式附件噪聲
混合動(dòng)力汽車在車輛靜止或低速行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不參與工作，此時(shí)由于缺少發(fā)動(dòng)機(jī)低頻噪聲的遮蔽，各類泵等附件的工作噪聲尤為突出[2]。為評(píng)價(jià)水泵工作時(shí)的噪聲，通過(guò)外接控制器單獨(dú)對(duì)水泵進(jìn)行占空比調(diào)試，測(cè)量水泵在最大占空比時(shí)車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳處噪聲。圖4中虛線頻譜部分（原狀態(tài)）為電機(jī)冷卻水泵（占空比90%）單獨(dú)工作時(shí)噪聲，駕駛員內(nèi)耳處聲壓級(jí)為22 dB(A)，水泵單獨(dú)工作時(shí)聲音能量較小，但是由于噪聲頻率相對(duì)較高，且沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的遮蔽，易于被乘客感知。控制水泵噪聲的途徑除降低單體噪聲外，對(duì)連接管路進(jìn)行隔振處理也是主要的噪聲衰減路徑。即在管路與車身連接處增加一層橡膠襯套，由硬連接變成軟連接，通過(guò)橡膠材料具有的粘彈性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼減振，進(jìn)而降低振動(dòng)傳遞。圖4中實(shí)線頻譜部分為斷開(kāi)冷卻水泵與車身的連接點(diǎn)后噪聲測(cè)試結(jié)果，由圖4可知，斷開(kāi)后噪聲下降3dB(A)，下降的頻率范圍集中在50~400Hz內(nèi)。

圖5為電池冷卻水泵工作噪聲。其中虛線頻譜（原狀態(tài)）為電池冷卻水泵在占空比為80%時(shí)單獨(dú)工作噪聲，駕駛員內(nèi)耳處聲壓級(jí)為25dB(A)。對(duì)電池水泵與車身的連接點(diǎn)進(jìn)行隔振處理后，噪聲下降4dB(A)，下降的頻率范圍集中在60~800Hz內(nèi)，如圖5中實(shí)線頻譜所示。

圖6為PTC水泵工作噪聲。其中虛線頻譜（原狀態(tài)）為PTC水泵在占空比為80%時(shí)單獨(dú)工作噪聲，駕駛員內(nèi)耳處聲壓級(jí)為31dB(A)，對(duì)PTC水泵與車身的連接點(diǎn)進(jìn)行隔振處理后，噪聲下降3dB(A)，下降頻率集中在160~1500Hz之間，如圖6中實(shí)線頻譜所示。

由上述測(cè)試可知，混合動(dòng)力車型相對(duì)傳統(tǒng)車型增加的3個(gè)冷卻水泵，在純電模式、低車速下的聲音控制尤為重要。除對(duì)連接管路進(jìn)行隔振處理外，還可在研發(fā)初期對(duì)水泵進(jìn)行合理布置，如將水泵安裝于動(dòng)力總成上，這樣經(jīng)過(guò)懸置的衰減可有效降低傳至車內(nèi)的工作噪聲。
3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起停沖擊
混合動(dòng)力汽車出于節(jié)油的需要以及對(duì)扭矩、動(dòng)力電池電量的需求等因素需要頻繁起停發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和熄火瞬間，主要受到繞曲軸方向的激勵(lì)，整車上表現(xiàn)為X向和Z向的激勵(lì)比較大，限于篇幅，主要以起動(dòng)過(guò)程中X向的振動(dòng)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明[2]。圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中座椅X向振動(dòng)加速度幅值，振動(dòng)沖擊主要有兩個(gè)階段，第1階段是電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的起動(dòng)階段，第2階段是發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火階段[4]。關(guān)于沖擊的衰減主要從兩個(gè)方面進(jìn)行控制，第1階段沖擊通過(guò)整車控制起停程序優(yōu)化，第2階段沖擊通過(guò)調(diào)校懸置剛度曲線進(jìn)行振動(dòng)衰減。

3.2.1 起停沖擊的度量
采用基于加速度4次方的振動(dòng)劑量評(píng)價(jià)方法（VDV）進(jìn)行起停沖擊的度量。與其它評(píng)價(jià)方法相比，4次方振動(dòng)劑量評(píng)價(jià)方法對(duì)沖擊的峰值更加敏感，且其本質(zhì)為關(guān)于時(shí)間的黎曼和，充分考慮了信號(hào)持續(xù)時(shí)間的影響，適合用于對(duì)沖擊進(jìn)行評(píng)價(jià)和度量[3]，其計(jì)算式為：

式中，VDV為振動(dòng)劑量值；a(t)為未經(jīng)過(guò)加權(quán)處理的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)；t為時(shí)間。3.2.2 起停沖擊的衰減
該混合動(dòng)力系統(tǒng)在行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是在懸置受預(yù)載力（此時(shí)懸置受到來(lái)自電機(jī)的扭矩）的情況下發(fā)生的，即懸置在有預(yù)載的情況下進(jìn)一步受到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬態(tài)扭矩激勵(lì)，因此懸置剛度曲線需針對(duì)此情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[4-5]。
圖8為調(diào)整前、后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置靜剛度曲線，由圖8可看出，由于右懸置靠近彈性軸，在瞬態(tài)激勵(lì)時(shí)右懸置的運(yùn)動(dòng)量相對(duì)較小；左懸置和后懸置相對(duì)而言離彈性軸較遠(yuǎn)，對(duì)沖擊的影響相對(duì)較大。因此左懸置和后懸置的剛度曲線在線性段剛度要求相對(duì)較低，這對(duì)怠速的隔振有較好的衰減作用；而在非線性段，原車左懸置沒(méi)有及時(shí)提升剛度，而且剛度上升也較慢，且后懸置的剛度曲線沒(méi)有及早進(jìn)入非線性段，并且非線性段上升過(guò)快?？傮w來(lái)說(shuō)原車懸置整體位移較小階段剛度較低，位移較大階段剛度上升較快，導(dǎo)致在瞬態(tài)激勵(lì)下動(dòng)力總成的運(yùn)動(dòng)量較大且沖擊明顯[6-7]。
調(diào)整后的懸置剛度曲線主要保留較短的線性段，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間及時(shí)進(jìn)入非線性段，提供較大剛度，利于對(duì)振動(dòng)沖擊的約束，如圖8中虛線所示。由此可表明，該懸置剛度設(shè)計(jì)對(duì)降低懸置動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)量有明顯效果。

表1為車輛原地靜止不動(dòng)（相當(dāng)于傳統(tǒng)車怠速工況）及行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)及座椅的VDV值，由表1可知，懸置剛度曲線調(diào)整后，轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)VDV值明顯降低，與主觀感受也一致。
限于篇幅，只列舉了懸置剛度曲線調(diào)整前、后座椅和轉(zhuǎn)向盤(pán)X向振動(dòng)加速度時(shí)域數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示。由圖中可看出，懸置剛度曲線調(diào)整后，振動(dòng)加速度幅值明顯小于原狀態(tài)，與VDV值變化趨勢(shì)一致，即調(diào)整懸置剛度曲線可改善發(fā)動(dòng)機(jī)起停沖擊。


該案例中，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和熄火是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)完成的，而非傳統(tǒng)的起動(dòng)電機(jī)，且由于在該系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)之間是機(jī)械連接，沒(méi)有離合器，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與熄火過(guò)程中電機(jī)的扭矩控制提出了更高的要求。為此，在發(fā)動(dòng)機(jī)起停過(guò)程中，采取電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩及轉(zhuǎn)速補(bǔ)償，以降低起停過(guò)程中的振動(dòng)沖擊。圖11為懸置剛度曲線調(diào)整前、后起動(dòng)過(guò)程電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化。

圖11a中，電機(jī)扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩補(bǔ)償較小，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中有較大的扭矩波動(dòng)，而圖11b中電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的扭矩波動(dòng)，且扭矩變化過(guò)程也變得較為平順，使得振動(dòng)沖擊明顯改善。限于篇幅限制，對(duì)起?？刂瞥绦騼?yōu)化前、后整車的表現(xiàn)不再贅述[8]。3.3齒輪及電機(jī)嘯叫雙行星排齒輪在工作時(shí)，由于齒輪受力變形及制造誤差等會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合錯(cuò)位，傳遞誤差過(guò)大，進(jìn)而產(chǎn)生齒輪嘯叫；另外，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于電磁噪聲以及電磁設(shè)計(jì)中的氣隙磁密、繞組形式、并聯(lián)支路數(shù)、諧波分布系數(shù)等原因產(chǎn)生電機(jī)嘯叫。齒輪及電機(jī)嘯叫屬于典型的有調(diào)噪聲，且是隨轉(zhuǎn)速變化由階次成分導(dǎo)致的有調(diào)噪聲，可以利用基于階次帶寬的有調(diào)噪聲評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文以純電模式加速過(guò)程中的嘯叫為例進(jìn)行分析。
圖12為純電模式下車內(nèi)加速噪聲云圖，前兩個(gè)階次噪聲為齒輪嚙合噪聲(圖中標(biāo)識(shí)19階以及38階)，第3條階次線為電機(jī)嘯叫噪聲（圖中標(biāo)識(shí)72階）。由圖12可看出，在整個(gè)轉(zhuǎn)速段，齒輪嚙合噪聲均占主導(dǎo)地位，因此需對(duì)齒輪嘯叫進(jìn)行衰減。

為了消除由齒輪彈性變形以及齒輪設(shè)計(jì)誤差所引起的輪齒嚙入、嚙出沖擊，需進(jìn)行合適的齒形修形[9]，以改善齒面的接觸，使傳動(dòng)變得平穩(wěn)。圖13為減速器齒輪修形后階次噪聲云圖，修形后嘯叫階次噪聲與圖12修形前階次噪聲相比明顯減小，表明齒輪修形可有效降低齒輪嘯叫噪聲。

3.4 路噪
對(duì)于混合動(dòng)力車型，在純電模式工況下，由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲遮蔽，路噪聲是車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)源。圖14為在粗糙路面下，當(dāng)車速為50km/h時(shí)前排人員及后排人員外耳處噪聲測(cè)試圖譜。由圖14可看出，路噪峰值對(duì)應(yīng)頻率為50Hz、80Hz、125Hz、160Hz、250Hz。通過(guò)試驗(yàn)排查，主要峰值頻率來(lái)自輪胎扭轉(zhuǎn)模態(tài)以及懸架的貢獻(xiàn)。對(duì)于懸架的貢獻(xiàn)，主要采取降低懸架支柱上部的橡膠襯套的剛度，提高懸架對(duì)來(lái)自路面激勵(lì)的振動(dòng)吸收；提高副車架擺臂襯套Y向剛度，約束懸架的Y向模態(tài)的影響。對(duì)于輪胎的貢獻(xiàn)，采取降低胎面硬度，增強(qiáng)小振動(dòng)的吸收能力，另外在胎側(cè)使用硬度較軟的三角膠，同時(shí)增加RC（胎側(cè)輪輞線到輪胎子口間橡膠）膠厚度，提升胎側(cè)的阻尼特性。

圖15和圖16為改變襯套剛度及輪胎胎面結(jié)構(gòu)前、后路噪變化，從圖中可看出，改變胎面結(jié)構(gòu)后路噪稍有改善，改變襯套剛度對(duì)路噪貢獻(xiàn)明顯。


4 結(jié)束語(yǔ)
混合動(dòng)力車型由于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，整車使用工況多變，發(fā)動(dòng)機(jī)起停沖擊、齒輪及電機(jī)嘯叫是其常見(jiàn)的NVH問(wèn)題。同時(shí)由于純電工作模式缺少發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲的遮蔽，導(dǎo)致路噪以及附件噪聲突出。本文以某款混合動(dòng)力車型為研究對(duì)象，對(duì)混合動(dòng)力車型主要的噪聲問(wèn)題進(jìn)行了分析，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起停、附件噪聲、齒輪嘯叫、路噪等問(wèn)題提出了解決方案。
作者：岳中英1劉玉龍2謝凱1趙海瀾1顧鵬云1
作者單位：（1.浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波315336；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300000）
來(lái)源：汽車技術(shù) 
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