在傳遞扭矩的瞬時突變工況下，純電動汽車傳動系統(tǒng)和驅動電機的結構特性容易引起整車產生沖擊、噪聲與抖動等問題，嚴重降低駕乘舒適性。系統(tǒng)性闡述某純電動汽車加速撞擊異響問題的分析解決過程，建立基于電驅動系統(tǒng)試驗臺架的排查方法，根據齒輪嚙合間隙理論和整車扭矩控制機理，提出具體的工程控制措施與方案，優(yōu)化電機扭矩過零策略，通過實車實驗驗證改進方案的有效性，有關結論對解決純電動汽車傳動系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下的振動噪聲問題，具有較重要的工程指導意義。

關鍵詞：聲學；純電動汽車；減速器；齒輪間隙；扭矩控制；異響噪聲

作者：張軍，焦明，岳中英，常玉朋，黃循奇

吉利汽車研究院 (寧波) 有限公司，浙江，寧波

與傳統(tǒng)燃油車相比，由于純電動汽車動力傳動系統(tǒng)缺少飛輪、離合器和撓性聯軸器等減振零部件，低轉速下扭矩輸出大，時間響應快。所以，在急加速和減速工況，如起步、制動、換擋等過程中，傳動系統(tǒng)扭矩傳遞發(fā)生瞬時突變容易引起整車沖擊噪聲和抖動等問題，嚴重降低駕乘舒適性。

劉必華等[1]建立了純電動汽車傳動系統(tǒng)的線性集中質量模型，進行了固有特性和靈敏度的分析；Ravichandran等[2]通過仿真分析方法，設計了一種開關模式控制系統(tǒng)，分別在正常嚙合與側隙過渡工況進行切換，以解決電動車的瞬時聳動問題；于蓬等[3]通過前/后饋主動控制仿真，優(yōu)化懸置設計，改善集中驅動式純電動車抖動問題；Jung 等[4]對汽車用永磁同步電機轉矩波動控制策略進行了研究，提出扭矩優(yōu)化控制策略，降低電機轉矩波動引起的整車抖動問題；陳煜等[5]發(fā)現差速器齒輪墊片摩擦性能問題可能導致純電動車行駛轉向過程中出現異響。但國內外對電動車瞬態(tài)工況噪聲問題的研究較少，還沒有形成系統(tǒng)性的工程指導方法。

01整車加速異響問題識別與測試分析

高度集成化是新能源汽車電驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與方向，這符合整車輕量化與車型平臺化的開發(fā)要求，可以提升動力布置設計與空間利用率，還可以降低能耗與成本，除了高能效的要求之外，NVH 性能與駕駛舒適性也是關鍵性能指標之一。

問題描述

某純電動轎車在以40 km/h車速直線行駛時，在輕踩油門踏板的加速過程中，前機艙內存在明顯的撞擊異響聲。由于電動汽車低速行駛時背景噪聲低，沒有發(fā)動機噪聲的掩蔽效應，該異響容易讓駕乘人員產生不安全感，駕駛品質嚴重減低，容易引起市場用戶的抱怨。通常，這種整車瞬態(tài)沖擊異響產生原因較多，異響機理較復雜，其影響因素也較多，而電驅系統(tǒng)的高度集成化也增大了此類異響排查與解決的難度。

該車搭載了前置前驅的集成式電驅動總成，電機為永磁同步無刷電機，單檔減速器、逆變器和電機采用的是整體集成的結構形式。減速器采用的是高速軸承和兩組平行軸式斜齒輪副，增加了嚙合重合度，以降低嘯叫噪聲。其中，電機輸出軸與減速器采用花鍵連接方式，整體的電驅傳動路徑表現出“硬連接”特征，缺少使扭矩或轉速波動衰減的零部件。與多檔減速器方案相比，單檔減速器的工作轉速更高，對齒輪傳動的散熱與潤滑要求也更高。

整車異響噪聲測試分析與診斷

經主觀評價，可以大致判斷出此加速異響源在前機艙內，但是具體異響發(fā)生位置很難通過主觀識別判斷。因此，為了分析排查此噪聲特征與診斷潛在的聲源位置，分別在左、右轉向節(jié)、懸置主、被動側、電機側端蓋、減速器側端蓋位置以及差速器兩側等分別布置了大量的振動加速度傳感器，并通過CAN 總線同步采集電驅動總成的轉速和轉矩等信號，如圖 1 所示。測試過程為使車輛在平直光滑路面上緩慢加速到30 km/h左右之后松開油門滑行，再輕踩油門提速到初始車速，反復進行多次測試，采集電驅傳動系統(tǒng)的撞擊數據。

圖1      整車測試時的傳感器布置

圖 2 振動加速度時域測試對比

如圖 2 所示，通過各位置振動時域特征分析和音頻回放時主客觀對比辨識，發(fā)現電驅動總成本體位置都具有振動沖擊特征，并且在減速器中間軸端蓋處的瞬時沖擊最為明顯；而在電機側端蓋、差速器側和各懸置主動側支架的振動沖擊幅值相對較小，振動音頻回放的撞擊聲也較??；除此之外，與驅動半軸相連轉向節(jié)和各懸置被動側都沒有發(fā)現振動沖擊的現象。因此，可以初步排除了驅動軸外球籠與輪轂軸承接合面的粘滑異響[6]，排除懸置的撞擊問題，以及排除電機的軸向竄動撞擊，推斷此異響可能發(fā)生在電驅動總成減速器內部的中間軸附近。

截取圖 2 的異響典型時域段進行細化分析，根據如圖 3 所示的電驅動總成減速器側端蓋測試結果，在低速滑行后的急加速工況，CAN 通道的電機輸出扭矩從6 N/m下降到0之后快速地以特定斜率上升。在扭矩過零位置，電機轉速出現明顯下降，減速器側端蓋振動信號出現瞬時沖擊的突變峰值。所以，此異響基本可以推測為急加速時，由于減速箱存在的傳動間隙，電機輸出扭矩快速變化引起齒輪之間的單側撞擊所導致。

圖 3 減速器端蓋振動的整車測試

02基于電驅臺架的異響測試排查

為了更準確和快速地識別減速箱的異響問題，在電驅動系統(tǒng)總成臺架上進一步開展排查工作。如圖4所示，采用同樣的整車懸置安裝方式，提取異響工況下的電機轉速和輸出扭矩波形作為臺架的激勵載荷進行加載，先利用聲學照相機輔助識別異響源的位置，再同步測試電驅總成殼體上的振動噪聲信號。如圖 5 所示，在減速箱中間軸附近端蓋表面的中高頻聲輻射能量較大，這與整車振動測試時對異響位置的推論相符合。

圖 4 電驅動總成的臺架測試

圖 5 基于聲學相機測試分析

根據如圖 6 所示的臺架測試結果可知，減速箱端蓋振動的信噪比較高，振動通道的干擾噪聲幅值明顯小于整車的測試結果，而沖擊峰值特征接近于整車工況測試時的時域形態(tài)，并且沖擊特征的幅值更大，人耳能夠更清晰地主觀辨識出復現的撞擊異響，由于整車與臺架扭矩模型的差異，在異響發(fā)生時刻的轉速和扭矩略有偏差。

圖 6 減速器端蓋振動的臺架測試

因此，基于電驅動系統(tǒng)的試驗臺架裝置，參照如圖 7 所示的減速器內部結構特點，可以快速進行異響問題的試驗排查分析，主要排查工作的結論如下：

（1）分別在電機輸出軸與減速箱的連接花鍵處、差速器與驅動半軸之間填充高強度的緊固膠，如圖8所示，換裝之后經臺架試驗驗證，撞擊異響現象都沒有變化；

（2）拆除減速箱中間軸或者降低加載的電機轉速波動（如圖9所示），都能夠消除異響；

（3 ）換裝減小二級齒輪副側隙試制樣件之后，主觀評價撞擊異響沒有明顯變化；

（4）對減小一級齒輪副側隙試制樣件進行換裝試驗，主觀評價撞擊異響有較明顯降低，客觀測試的沖擊峰值也有下降。因此，根據以上電驅動總成臺架排查結果，可以推斷出急加速時撞擊異響產生位置很可能是在減速器的一級齒輪副。

但是，由于減小齒輪副側隙的方案對齒輪嚙合的潤滑性能影響較大，需要進行大量的減速器性能驗證工作，成本高，時間長。所以，需考慮能否通過扭矩與轉速標定優(yōu)化快速解決該車型急加速工況下撞擊異響問題。

圖 7 減速器傳動示意圖

圖 8 花鍵間隙緊固膠試驗

圖 9 轉速波動對減速箱異響影響的臺架測試對比

03減速器異響原因要素的分析

基于整車與臺架的異響測試分析結果，可初步得出此異響問題不僅僅與傳動系統(tǒng)的機械結構相關，也與扭矩控制方法有較強的關聯性。

對于減速器機械傳動的結構設計而言，由于考慮潤滑、熱變形和磨損等因素對齒輪副動力傳動的影響，嚙合齒輪之間必須有一定的齒側間隙。在傳動扭矩或負載發(fā)生突變情況下，齒側間隙過大可能引起齒輪嚙合的振動沖擊及噪聲問題，并影響整車驅動扭矩傳遞的穩(wěn)定性。雖然齒側間隙越小，扭矩傳遞就越穩(wěn)定，但對齒輪制造加工與安裝精度的要求都急劇提高。對于新能源汽車的電驅動減速器而言，由于其轉速高、速比大和擋位少等特點，必須保證較合理的齒輪側隙，保證在嚙合齒廓之間形成具有足夠厚度的潤滑油膜，并補償制造與安裝誤差以及熱變形等對齒輪傳動造成負面的影響。

機械傳動結構的原因要素

（齒側間隙）

考慮到齒輪傳動系統(tǒng)存在時變嚙合剛度、傳遞誤差、阻尼和齒側間隙等非線性因素，國內外已經進行了大量的研究[7－8]。如圖 10 和圖 11 所示，為了分析電驅動系統(tǒng)齒輪間隙在嚙合過程的作用，通常引入齒側非線性分段函數 F (δi)表示齒輪動態(tài)嚙合力，以研究不同嚙合接觸狀態(tài)下的齒輪動態(tài)特性（見圖12）。

式中：δi為嚙合齒輪的動態(tài)間隙，xij表示齒輪副之間傳遞誤差，bi 為單側齒輪間隙長度，Ri 和 R0 分別是主、從動輪的基圓半徑，θi和θ0分別為主、從動輪的角位移，KC為齒輪嚙合剛度。

圖10  齒輪傳動示意圖

圖 11 齒輪間隙模型示意圖

圖 12 齒輪撞擊的示意圖

標定控制方面的原因要素

（扭矩策略）

由于電驅動傳動系統(tǒng)的“硬連接”特點，其沒有傳統(tǒng)燃油車的離合器、柔性聯軸器或液力變矩器等傳動減振零部件，并且驅動電機總成具有特有的調速與扭矩輸出特性，響應快，換向快，扭矩變化率大。因此，在整車低速行駛時的急加速工況，容易出現傳動系統(tǒng)的沖擊噪聲振動問題。

從整車扭矩控制策略的標定優(yōu)化方面，合理匹配加速踏板開度、電機扭矩輸出幅值、扭矩上升速率等因素，結合傳動系統(tǒng)間隙現狀與動力響應性能的基本要求，可以在電機扭矩正、負切換過程中，精細標定扭矩過零階段的“靠齒”過程，緩沖齒輪嚙合過程中的沖擊程度，從而改善或消除撞擊現象[4]。在舒適性模式下的加速工況下，扭矩標定策略通常應遵循動力響應及時和平順的原則，無沖擊抖動問題，主要的調整手段有減小加速踏板的濾波系數、增加扭矩過零的靠齒時間以及降低扭矩上升斜率等；而在非過零狀態(tài)，則需增加扭矩響應速度，減小動力遲滯感，如圖13所示。

圖 13 電機扭矩過零策略的示意圖

除了對傳動側隙和扭矩過零策略進行優(yōu)化控制之外，根據齒輪傳動系統(tǒng)的動力學理論，還可以采取提高減速箱機油黏度，增加齒輪拖曳力矩，適度增大主動輪慣量，減小被動輪慣量，調整齒輪軸的扭轉剛度，控制軸系的軸向竄動量，避免支承軸承內部撞擊等措施，改善電驅動系統(tǒng)減速器的瞬態(tài)沖擊現象。

04實車標定優(yōu)化與驗證

根據以上的機理分析，考慮成本和后期整改的工程可行性，主要從電驅動過零扭矩輸出的策略方面進行標定優(yōu)化。經多次調整標定參數與驗證，在不顯著降低動力響應速度條件下，在低速行駛的急加速工況下，通過觸發(fā)過零控制邏輯，對油門踏板信號通道進行拋物線函數濾波，適度增加靠齒時間，略微降低電機扭矩升高率，減緩扭矩過零對傳動系統(tǒng)的沖擊，如圖14所示。

圖14 電驅動總成扭矩過零策略的優(yōu)化對比

經實車駕評與對比測試驗證，急加速工況下的動力響應略有降低，但還在可接受范圍之內，主觀上幾乎感知不到撞擊異響，減速器端蓋的沖擊振動特征也基本消失，如圖15所示。

圖 15 標定優(yōu)化前、后減速器端蓋振動測試對比

05結語

本文以某純電動車加速工況下撞擊異響問題為研究對象，系統(tǒng)性地闡述了其減速器瞬態(tài)沖擊噪聲問題的測試分析與排查過程，基于電驅動系統(tǒng)的試驗臺架，高效地識別出異響位置；并且從齒輪傳動機械結構和扭矩控制策略優(yōu)化兩個方面，提出了具體的工程解決措施與方案。本文還通過電機扭矩過零標定參數的優(yōu)化，解決了該純電動車型的加速異響問題，通過實車試驗驗證改進措施的有效性，這對于解決類似的電驅動系統(tǒng)瞬態(tài)振動噪聲問題具有較重要的工程參考價值。

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