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串并聯(lián)混合動力豪華轎車開發(fā)中的降噪減振技術(shù)

2020-02-25 00:35:50·  來源：汽車NVH云講堂  
　
2007-01-2232Noise and Vibration Reduction Technology inthe Development of Hybrid Luxury Sedan with Series/Parallel Hybrid SystemNaoto Kawabata, Masash
2007-01-2232
Noise and Vibration Reduction Technology inthe Development of Hybrid Luxury Sedan with Series/Parallel Hybrid System
Naoto Kawabata, Masashi Komada andTakayoshi Yoshioka

摘要

對于豪華轎車來說，安靜是主要賣點(diǎn)，而混合動力豪華轎車則期望特別安靜。因此，在開發(fā)混合動力豪華轎車時，需要盡一切努力降低混合動力系統(tǒng)的噪音，以確保其安靜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通汽油動力車。此外，縱向動力傳動系車輛特有的噪聲和振動現(xiàn)象需要特殊的降噪技術(shù)。本文首先介紹了混合動力豪華車與普通汽油動力車相比所具有的優(yōu)越的安靜性。然后，本文討論了發(fā)動機(jī)起動過程中的振動、發(fā)動機(jī)爆震噪聲和發(fā)動機(jī)噪聲的發(fā)展問題，解釋了產(chǎn)生這些噪聲的機(jī)理和降低這些噪聲的技術(shù)。

前言

全球變暖的加劇和汽油價格的飆升激發(fā)了人們對混合動力汽車的興趣，因?yàn)榛旌蟿恿ζ嚲哂袃?yōu)越的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。作為回應(yīng)，雷克薩斯開發(fā)了全球首款后輪驅(qū)動（RWD）的串聯(lián)/并聯(lián)混合動力轎車GS450h，以及該品牌的旗艦車型LS600h，一款全輪驅(qū)動（AWD）混合動力車。這兩款車都采用了豐田混合動力系統(tǒng)II（THS II）的新開發(fā)版本，用于縱向動力傳動系統(tǒng)。這些車輛具有一流的動力性能，同時實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)汽油車更好的環(huán)境和環(huán)保性能。介紹了混合動力豪華轎車在電動汽車運(yùn)行和怠速停車時的優(yōu)越安靜性。介紹了縱向動力傳動系混合動力汽車的NV降低技術(shù)，并針對縱向動力傳動系混合動力汽車的發(fā)動機(jī)起動振動、發(fā)動機(jī)爆震噪聲和發(fā)動機(jī)噪聲等問題提出了相應(yīng)的對策。
 
1.動力傳動系統(tǒng)概述

如圖1所示，后輪驅(qū)動混合動力汽車的動力傳動系由功率分配裝置、1號電機(jī)（MG1）和減速齒輪組成，1號電機(jī)（MG1）是發(fā)電用電機(jī)，2號電機(jī)（MG2）是驅(qū)動用電機(jī)。動力分配裝置將汽油機(jī)產(chǎn)生的動力分配給傳動系和MG1。注意，配置不包括用于將發(fā)動機(jī)連接到傳動系輸出軸的離合器機(jī)構(gòu)。全輪驅(qū)動混合動力車的動力傳動系是一臺V8發(fā)動機(jī)，與一個新開發(fā)的混合動力單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了后輪驅(qū)動混合動力車的變速箱，并附加了一個傳動裝置和差速器。與前輪驅(qū)動（FWD）車輛的THS II相比，一個顯著的區(qū)別是在MG2上增加了一個2速減速齒輪，使MG2能夠以更高的速度旋轉(zhuǎn)。因此，即使輸出功率增加，電動機(jī)也可以變得更緊湊。

圖1縱向動力傳動系配置

2.混合動力豪華轎車的NV問題

在混合動力豪華轎車的開發(fā)過程中，重點(diǎn)關(guān)注以下所述的噪音和振動現(xiàn)象。第一個問題是發(fā)動機(jī)熄火時的安靜。在配備THS II的車輛中，當(dāng)車輛停止或作為電動車輛運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)停止，使車輛比普通汽油動力車輛安靜得多。另一方面，混合動力單元的噪音相當(dāng)可感知，因此降低噪音是一個問題。關(guān)于發(fā)動機(jī)起動振動，正如前驅(qū)動車輛的THS II一樣，問題是減少動力裝置懸置系統(tǒng)和傳動系的振動傳遞。另一個問題是降低發(fā)動機(jī)轟鳴聲和電機(jī)電磁噪聲，這與新型變速器的結(jié)構(gòu)和形狀有關(guān)。下面介紹產(chǎn)生這些噪聲和振動現(xiàn)象的機(jī)理以及用于降低噪聲和振動現(xiàn)象的技術(shù)。

3.車輛的安靜

為了提高THS-II車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，在車輛停車或低負(fù)荷低速行駛時，主動停止發(fā)動機(jī)。因此，如圖所示，THSII車輛比普通汽油動力車輛安靜得多。2和3。

圖2 車輛停止時的車內(nèi)噪聲

圖3部分加速時的車內(nèi)噪聲

為了保持這一優(yōu)勢，在變頻冷卻系統(tǒng)中積極消除水泵的噪聲，以及電機(jī)、變頻器等機(jī)組的電磁噪聲。

圖4示出了反相器冷卻系統(tǒng)中水泵的噪聲改善的示例。在開發(fā)過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)且背景噪聲較低時，泵的葉輪和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)引起的噪聲成為問題。通過減小葉輪的不平衡度、改變軸承結(jié)構(gòu)和改變電機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了驅(qū)動力。為了減小對泵體的輸入力，在泵體上安裝了橡膠隔振裝置，并對泵體上安裝的泵支架的剛度進(jìn)行了優(yōu)化。這些對策大大降低了噪聲水平。

圖4車輛停止時水泵噪聲的降低

逆變器產(chǎn)生的電磁噪聲是由直流電轉(zhuǎn)換為交流電時產(chǎn)生的高頻噪聲，這種噪聲傳播到車內(nèi)的途徑包括來自逆變器外殼的空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲，以及來自變速器的空氣傳播噪聲。通過提高車輛的吸聲性能來解決空氣傳播噪聲，通過改善逆變器外殼和支架的振動特性來處理結(jié)構(gòu)傳播噪聲。
圖5車輛停止時的噪聲級比較

圖6 部分加速時噪聲級比較

作為這些對策的結(jié)果，混合動力豪華轎車的安靜程度大大優(yōu)于同級別普通汽油動力車（圖。5和6）。

4.發(fā)動機(jī)啟動振動

4.1產(chǎn)生機(jī)理

一般來說，在裝有縱置發(fā)動機(jī)的車輛中，在發(fā)動機(jī)起動過程中，車身的垂直和橫向振動與動力裝置的ROLL和YAW共振一起產(chǎn)生。同樣的振動也發(fā)生在帶有THS II的混合動力豪華轎車上。另外，由于發(fā)動機(jī)和傳動系之間沒有離合器機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)的扭矩波動會在傳動系中引起扭轉(zhuǎn)共振，在車身中產(chǎn)生縱向振動。這些振動形式的強(qiáng)迫力是電動機(jī)轉(zhuǎn)矩反作用力和電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的發(fā)動機(jī)壓縮壓力，以及爆炸時的燃燒壓力。下一節(jié)介紹了降低這些強(qiáng)制力的技術(shù)，以及降低動力總成懸置系統(tǒng)和傳動系振動的技術(shù)。

4.2減振技術(shù)

在混合動力豪華轎車上實(shí)施了針對THSII的各種前驅(qū)車輛對策。（1）-（3）通過改變進(jìn)氣門關(guān)閉正時、控制活塞停止位置以降低發(fā)動機(jī)壓縮壓力來降低強(qiáng)制力，調(diào)整噴油量和點(diǎn)火正時。

圖7 電機(jī)減振控制系統(tǒng)

通過縮短主彈性軸與動力裝置重心的距離，減小了車體的橫向振動。在發(fā)動機(jī)起動過程中，MG1在大扭矩下工作，抑制了傳動系扭振的激勵和動力總成懸置系統(tǒng)的共振。在混合動力豪華轎車中，除了上述對策外，還采用了減振電機(jī)控制和具有兩級滯后特性的扭振減振器來降低傳動系扭振。

減振電機(jī)控制采用MG1前饋控制和MG2反饋控制的形式（圖7）。由于THS II動力分配裝置使用行星齒輪，MG1、發(fā)動機(jī)和傳動系軸的轉(zhuǎn)速可以用圖8中的諾模圖表示。MG1前饋控制根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角估計(jì)曲軸中產(chǎn)生的扭矩波動。通過對與MG1（圖7和圖8）同步的扭矩施加前饋補(bǔ)償，減少了傳動系軸轉(zhuǎn)速的波動。MG2反饋控制根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速和MG2相對于發(fā)動機(jī)爆震時突然產(chǎn)生的扭矩波動來估計(jì)驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)角速度。通過將異相轉(zhuǎn)矩反饋給MG2來減小車體的縱向振動（圖9）。

圖8 前饋控制概念圖

圖9 電機(jī)控制減振

增加扭振減振器的阻尼也可以降低傳動系的扭振水平。增大滯環(huán)轉(zhuǎn)矩是提高阻尼的有效途徑，但由于對傳動系轉(zhuǎn)矩波動的增大，引起了發(fā)動機(jī)爆震一階部件爆震噪聲惡化的擔(dān)憂?？紤]到這兩種現(xiàn)象的不同扭轉(zhuǎn)角，采用了具有兩級滯后特性的阻尼器（圖10）。在發(fā)動機(jī)起動過程中，高振幅區(qū)域的滯回轉(zhuǎn)矩較高，但在極低振幅區(qū)域的滯回轉(zhuǎn)矩較低，在極低振幅區(qū)域，可能會出現(xiàn)轟鳴噪聲（圖。11和12）。

圖10 扭振減振器橫截面圖

圖11 扭轉(zhuǎn)減振器概念圖

圖12 扭轉(zhuǎn)減振器特性

5.發(fā)動機(jī)轟鳴聲

5.1開發(fā)問題

在V6發(fā)動機(jī)驅(qū)動的車輛中，除了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的三階分量外，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的二階分量的轟鳴噪聲有時也會成為一個問題。二階激振力主要是活塞往復(fù)慣性的二階耦合。振動被動力總成的彎曲共振放大，并從變速器后部的支座傳遞到車身，產(chǎn)生隆隆的噪音。后輪驅(qū)動混合動力轎車采用了雙減速齒輪，從而減小了電機(jī)的直徑和重量。但THSII變速器的總長度比同一平臺（圖13）上普通汽油動力車的6速自動變速器（a/T）大50毫米，質(zhì)量大約大35公斤。

圖13后輪驅(qū)動6速A/T與THS II的傳輸比例尺比較

有人擔(dān)心，質(zhì)量和總長度的增加會導(dǎo)致動力總成共振下降到正常的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。還預(yù)測了傳遞力的增加，因?yàn)榉峙浣o懸置的載荷的增加將要求懸置的剛度提高到6速a/T懸置的1.5倍。

圖14 動力總成彎曲共振振型

圖15改變懸置位置

5.2減振技術(shù)

動力總成共振的變形模式使得在傳輸中引起大變形，如圖14所示。研究了如何提高共振頻率，使其與發(fā)動機(jī)正常轉(zhuǎn)速范圍相分離。采用有限元分析方法對變速器箱體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括修形、加強(qiáng)筋等。結(jié)果，共振頻率提高到180赫茲，相當(dāng)于6速a/T。此外，懸置安裝位置比原計(jì)劃向前移動80毫米，以便將其設(shè)置在振動模式的節(jié)點(diǎn)處（圖15）。改變懸置安裝位置，會引起懸置安裝空間、主彈性軸與重心分離等新問題，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的起動振動性能。為了確保足夠的懸置安裝空間，懸置被嵌入到橫梁上，這與用于6速a/T的結(jié)構(gòu)有很大的不同（圖16）。通過優(yōu)化懸置彈簧常數(shù)的縱橫比，減小了主彈性軸與重心的距離。這些對策成功地解決了爆震噪音和發(fā)動機(jī)起動振動的問題（圖17）。

圖16六速變速器懸置結(jié)構(gòu)比較圖

圖17發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和動力總成彎曲共振頻率二階分量引起的內(nèi)部轟鳴噪聲級

6.電機(jī)噪聲

6.1開發(fā)問題

混合動力豪華轎車的變速器總長度大于四輪驅(qū)動車輛的THS II（圖18），因此使整個變速器變形的共振在相對較低的頻率下產(chǎn)生。此外，由于MG2減速齒輪比較低（表1），在背景噪聲較小的低速范圍內(nèi)（圖19），MG2轉(zhuǎn)速的24thorder分量產(chǎn)生共振，這意味著容易聽到電機(jī)噪聲。此外，變速器安裝在中央通道中，這使得從變速器到乘員的聲音傳遞功能比安裝在發(fā)動機(jī)艙中的FWD混合動力車輛中的聲音傳遞功能更高（圖。20和22）。下一節(jié)解釋了所采用的對策。

圖18 變速器長度比較

表1 減小MG2速比
 
圖19 MG2 24階頻率與車速的關(guān)系

圖20 變速器位置比較

圖21 縱置變速器的振型

6.2減振技術(shù)

為了減小MG2產(chǎn)生的24階旋轉(zhuǎn)電磁力，將永磁體布置成V形和角度。。優(yōu)化了磁體布置，如THS II中所述，用于前驅(qū)車輛.(3)

為了改善變速器的輻射噪聲特性，采用有限元分析方法對產(chǎn)生輻射噪聲的振動模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明，存在兩種振動模式。一種振動模式將變速箱殼體的彎曲共振與MG1和MG2轉(zhuǎn)子作為質(zhì)量元件和支承軸承作為彈簧元件的共振耦合起來。圖21所示的另一振動模式耦合了傳動箱的彎曲共振。

為了消散這些共振頻率，改變了傳動箱的共振頻率，從而改善了輻射噪聲特性。通過在振幅較大的變速器后端安裝動態(tài)減振器，以及在變速器殼體的輻射區(qū)域增加加強(qiáng)筋，改善了輻射噪聲特性。在LS600h中，在變速器表面增加了隔音罩。

為了改善聲傳遞功能，在中央通道和儀表板周圍添加了吸聲和隔音材料（圖22）。這些對策使得實(shí)現(xiàn)適合混合動力豪華轎車的電機(jī)噪聲性能成為可能。

圖22 從透射面到乘員耳朵位置的聲傳遞函數(shù)

結(jié)論

通過解決下面列出的噪音和振動問題，確保了適合混合動力豪華轎車的卓越噪音和振動性能，這些問題已成為混合動力豪華轎車開發(fā)中的問題。

（1）怠速停車和電動汽車運(yùn)行時的安靜

通過改善逆變器水泵噪聲、逆變器噪聲和電機(jī)噪聲，實(shí)現(xiàn)了怠速停車和電動汽車運(yùn)行時的卓越安靜。

（2）發(fā)動機(jī)起動振動

采用前輪驅(qū)動車輛THS-II系統(tǒng)中的減振技術(shù)，采用一種新型的電機(jī)控制方式，通過優(yōu)化扭振減振器的滯環(huán)轉(zhuǎn)矩，降低了傳動系的扭振。
 
 
（3）發(fā)動機(jī)轟鳴聲

通過改善動力裝置的彎曲共振，改變懸置位置，減小對機(jī)體的輸入力，抵消了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的二階轟鳴噪聲。

（4）電機(jī)噪音

通過降低MG2轉(zhuǎn)速下的24階電磁力，改變傳動箱的共振，在傳動箱上安裝動態(tài)減振器，在散熱區(qū)域增加加強(qiáng)筋，改善了電機(jī)噪聲，通過在車內(nèi)添加吸聲和隔音材料，改善從變速器到乘員的聲傳遞功能。
 
 
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