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混合動力汽車NVH 性能分析研究

2021-12-08 09:12:13·  來源：科技展望  
　
【摘 要】本文結(jié)合混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式、整車控制方法及系統(tǒng)行駛工況對ＮＶＨ 性能的影響，以某車型為例對汽車ＮＶＨ 性能的測試、數(shù)據(jù)分析及性能改進進行了
【摘 要】本文結(jié)合混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式、整車控制方法及系統(tǒng)行駛工況對ＮＶＨ 性能的影響，以某車型為例對汽車ＮＶＨ 性能的測試、數(shù)據(jù)分析及性能改進進行了研究分析。
【關(guān)鍵詞】ＮＶＨ 混合動力
1 混合動力汽車NVH 特性分析
混合動力汽車因其結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)車復(fù)雜，混合動力汽車具有傳統(tǒng)汽車的ＮＶＨ 問題，同時因為電動機及其他電器附件的加入，還產(chǎn)生與傳統(tǒng)汽車不同的ＮＶＨ 問題。
１．１ 混合動力汽車硬件結(jié)構(gòu)及軟件控制對整車ＮＶＨ 性能的影響
混合動力汽車的主要硬件架構(gòu)包括發(fā)動機、電動機及動力電池。因為其有發(fā)動機，傳統(tǒng)汽車的ＮＶＨ 問題在混合動力汽車中同樣存在?；旌蟿恿ζ噷㈦姍C引入了動力系統(tǒng)，電機本體的嘯叫及電機高速運轉(zhuǎn)帶來的齒輪嘯叫成為混合動力汽車的主要ＮＶＨ問題之一；傳統(tǒng)汽車的附件在混合動力汽車中需要相應(yīng)電機驅(qū)動，例如電動空調(diào)、電動制動助力系統(tǒng)等，由電器附件產(chǎn)生的噪聲也是混合動力汽車ＮＶＨ 性能的主要問題之一。
混合動力車型控制程序主要分為整車控制、發(fā)動機控制、電機控制、電池管理系統(tǒng)等，整車控制標定對ＮＶＨ 性能影響比傳統(tǒng)車大很多，其標定過程應(yīng)考慮整車ＮＶＨ 性能。如發(fā)動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制、電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制，動力電池冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制，在滿足動力性及熱平衡基礎(chǔ)上，同事要兼顧其帶來的ＮＶＨ 問題。
１．２ 混合動力汽車因其運行工況復(fù)雜引起的ＮＶＨ 性能問題
混合動力汽車運行工況較傳統(tǒng)汽車復(fù)雜，主要分為定置工況及車輛行駛工況，以某混合動力車型為例，其運行工況如圖１ 所示：

在定置工況下，發(fā)動機熄火狀態(tài)主要關(guān)注的是電動空調(diào)的噪聲水平，發(fā)動機怠速狀態(tài)下發(fā)動機噪聲水平及充電狀態(tài)下發(fā)動機噪聲水平與電機及其齒輪的噪聲水平顯得尤為重要，發(fā)動機的啟停沖擊水平也同樣是定置工況下的重要關(guān)注點；行駛工況主要分為加速、勻速及減速工況，加速工況主要是純電工況下電機及齒輪嘯叫噪聲，混動模式下發(fā)動機、電機及齒輪噪聲，勻速主要關(guān)注的是風(fēng)噪、路噪及胎噪，減速工況制動能量回收過程中電機及齒輪的嘯叫問題尤為突出。

2 混合動力汽車NVH 性能分析方法
２．１ 電機噪聲分析方法
電機噪聲分析是混合動力汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車ＮＶＨ 分析的主要因素。電機噪聲分為電磁噪聲、空氣噪聲、機械噪聲。其中，電磁噪聲是由氣隙磁場作用于電機定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的交變電磁力引起的，該部分噪聲是電機噪聲的主要來源。
電機噪聲主要通過仿真分析與實驗驗證相結(jié)合的方法得到，通過實驗驗證及優(yōu)化仿真模型，電機噪聲流程如圖２ 所示，包括結(jié)構(gòu)模態(tài)計算及實驗驗證、強迫振動響應(yīng)計算及實驗驗證、聲輻射計算及驗證三部分。
電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響電機振動的主要因素，對其進行仿真計算及實驗測試，確定電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)，并對其進行優(yōu)化以避開主要階次頻率的激勵。


由徑向電磁力引起的強迫振動是電機振動的另一個因素。電磁場計算是在有限元軟件Ａｎｏｆｔ 的Ｍａｘｗｅｌｌ 仿真環(huán)境中實現(xiàn)的，主要流程如圖５ 所示。

電磁噪聲輻射是電機噪聲的主要貢獻，需對電磁噪聲進行測量，并對聲學(xué)包進行優(yōu)化處理，來降低電磁噪聲對車內(nèi)噪聲影響。
２．２ 變速器嘯叫分析方法
混合動力汽車動力系統(tǒng)中的電機是高速旋轉(zhuǎn)部件，其最高轉(zhuǎn)速可達１００００ｒｐｍ 以上，因此使得變速器齒輪轉(zhuǎn)速也會提高，加重了變速器齒輪嘯叫問題。混合動力汽車在全油門加速工況下車內(nèi)出現(xiàn)齒輪嘯叫問題，主要發(fā)生低轉(zhuǎn)速區(qū)域，其噪聲頻譜會有明顯的齒輪副嚙合階次特征。針對齒輪嘯叫噪聲，需對噪聲階次進行分析，確定產(chǎn)生噪聲的嚙合齒輪，并對該齒輪或支撐軸進行修型，來降低或消除齒輪的嘯叫。此過程主要通過仿真優(yōu)化及五電機
ＮＶＨ 試驗臺來進行，仿真計算及實驗流程圖６ 所示。通過仿真計算優(yōu)化及五電機ＮＶＨ 臺架實驗后，對優(yōu)化結(jié)果進行確認，并最終降低或消除變速器嘯叫。

２．３ 齒輪敲擊噪聲分析方法
齒輪敲擊噪聲主要出現(xiàn)在混合加速模式加速過程中的低速區(qū)，其頻譜呈現(xiàn)出寬頻帶特征，敲擊主要是因為在混合模式下，發(fā)動機與電機輸出扭矩波動及空載齒輪存在嚙合間隙。
齒輪敲擊噪聲仿真分析主要通過敲擊能量法（ＩＥＭ）三維系統(tǒng)解決方案及敲擊閾值預(yù)測一維系統(tǒng)解決方案來解決。齒輪敲擊噪聲實驗方法主要通過五電機ＮＶＨ 臺架系列驗證試驗：發(fā)動機扭矩波動激勵／電機扭矩波動激勵。
某車型在怠速及低速混動行駛過程中存在驗證的Ｒａｔｔｌｅ 現(xiàn)象，其主要原因是在此工況下，兩個驅(qū)動電機的驅(qū)動力接近于零，齒輪存在嚙合間隙。通過加裝扭轉(zhuǎn)減振器，來衰減曲軸傳來的扭轉(zhuǎn)波動，及通過控制程序優(yōu)化，避免電機出現(xiàn)零轉(zhuǎn)矩工況，Ｒａｔｔｌｅ問題得已解決。

２．４ 發(fā)動機啟停沖擊分析方法
串聯(lián)混合動力、并聯(lián)混合動力及混聯(lián)混合動力汽車都存在頻繁啟停振動沖擊與噪聲問題。
針對啟停振動沖擊，引入了振動計量值（VDV） 評價指標及振動能量密度譜（ESD），前者主要針對總體評價，而后者針對不同頻段評價。

啟停振動沖擊主要有以下幾種解決方案，５０Ｈｚ 以下低頻模態(tài)解耦分析（ＰＴ 剛體模態(tài)／傳動系扭振模態(tài)／車身模態(tài)）；５０Ｈｚ 以下低頻啟停激勵多體動力學(xué)強迫響應(yīng)分析；ＥＭＳ 發(fā)動機啟停標定優(yōu)化，主要針對發(fā)動機的停缸位置進行判斷，并對噴油及點火時刻進行調(diào)試優(yōu)化；ＰＣＵ 電機反向扭矩標定優(yōu)化（主動抵消曲軸扭矩波動），主要是電機反拖發(fā)動機扭矩及發(fā)動機點火后的補償扭矩進行優(yōu)化調(diào)試。
２．５ 電器附件噪聲分析方法
混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車相比，增加了電動空調(diào)、電動真空助力泵及電池包冷卻風(fēng)扇等電器附件。各電器附件的噪聲也是影響混合動力汽車ＮＶＨ 性能的因素。對不同的電器附件進行相應(yīng)的ＮＶＨ 性能優(yōu)化。
２．５．１ 電動空調(diào)系統(tǒng)
電動空調(diào)工作時，發(fā)動機可能不工作，在發(fā)動機不工作的情況下，電動空調(diào)的噪聲尤為突出。電動空調(diào)系統(tǒng)一般安裝于混合動力汽車動力總成上或直接安裝于車身縱梁，工作過程中產(chǎn)生振動，經(jīng)由空氣或結(jié)構(gòu)途徑傳至車內(nèi)，從而影響車輛ＮＶＨ 性能?？梢酝ㄟ^控制電動空調(diào)壓縮機動平衡量、控制電動空調(diào)壓縮機本體振動、控制電動空調(diào)轉(zhuǎn)速策略來解決電動空調(diào)系統(tǒng)的ＮＶＨ 問題。
某車型電動空調(diào)振動噪聲優(yōu)化由以下幾個方面：壓縮機本體噪聲優(yōu)化，將壓縮機改為變頻壓縮機，在不需要太大的制冷量的情況下，降低壓縮機轉(zhuǎn)速，來控制壓縮機本體噪聲；壓縮機安裝于動力總成上，在動力總成與壓縮機支架之間加裝二級隔振，優(yōu)化壓縮機結(jié)構(gòu)路徑的傳遞，使得車內(nèi)噪聲得以降低。優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲如圖８ 所示（紅色為原狀態(tài)，綠色為優(yōu)化后狀態(tài)），優(yōu)化后噪聲達可接受水平：

２．５．２ 制動助力系統(tǒng)
混合動力汽車發(fā)動機不是一直工作，不能為制動系統(tǒng)提供真空助力，需額外的輔助泵來提供助力。制動助力泵多安裝于動力總成及車身上，其產(chǎn)生的噪聲主要通過結(jié)構(gòu)及空氣路徑傳入車內(nèi)而影響ＮＶＨ 性能。主要通過優(yōu)化輔助泵的隔振及提高吸隔聲來解決其ＮＶＨ 問題。
目前制動助力泵主要有空氣真空助力泵與液壓真空助力泵兩種，空氣真空助力泵ＮＶＨ 水平明顯優(yōu)于液壓真空助力泵。

某車型真空助力泵采用液壓真空助力泵，安裝于前圍橫梁處，其ＮＶＨ 性能不可接受。通過將液壓助力泵切換為空氣真空助力泵，來降低助力泵本體噪聲；將原真空助力泵安裝位置從前圍橫梁處轉(zhuǎn)移到動力總成前側(cè)，且加裝二級隔振，降低結(jié)構(gòu)及空氣路徑上的傳遞，使得ＮＶＨ 性能得以明顯優(yōu)化，圖９ 為優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲水平（紅色為優(yōu)化后水平，綠色為原狀態(tài)水平）。
3 結(jié)語
混合動力汽車不同于傳統(tǒng)的汽車，針對混合動力汽車ＮＶＨ 問題，需采用區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的方法及途徑來解決。本文通過對混合動力汽車主要的ＮＶＨ 性能展開討論，并介紹相應(yīng)的解決方案及相應(yīng)的案例，對解決混合動力汽車ＮＶＨ 問題具有指導(dǎo)意義。
作者：唐程光１，２ 夏仕朝３ 李令兵１
作者單位：（１．安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 ２３００００；２．合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 ２３００００；３．中國汽車技術(shù)研究中心，天津 ３０００００）
來源：科技展望 
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