摘要

針對(duì)啟動(dòng)抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響整車ＮＶＨ 性能的問題，研究了某ＳＵＶ 混動(dòng)車型啟動(dòng)工況下的整車抖動(dòng)問題，確定了啟動(dòng)抖動(dòng)產(chǎn)生的根本原因。通過制定一系列的試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合ＬＭＳ 測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，明確導(dǎo)致整車啟動(dòng)抖動(dòng)的根本原因是啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中扭矩波動(dòng)導(dǎo)致。根據(jù)“源－路徑－響應(yīng)”思路制定優(yōu)化方案，對(duì)懸置與電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)車測(cè)試表明：優(yōu)化后整車抖動(dòng)量級(jí)明顯減小，滿足開發(fā)目標(biāo)要求，證實(shí)了該優(yōu)化方案可以有效解決啟動(dòng)抖動(dòng)問題。

車輛ＮＶＨ 即噪聲、振動(dòng)與舒適性，是衡量汽車質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的車輛指標(biāo)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(shí)的平順性和啟動(dòng)噪聲是車輛的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前，市售主流的混合動(dòng)力系統(tǒng)有以豐田普銳斯為代表的動(dòng)力分流雙電機(jī)混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，以比亞迪秦和大眾途銳為代表的單電機(jī)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，以本田雅閣和上汽榮威為代表的雙電機(jī)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。

通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)混動(dòng)汽車啟停抖動(dòng)問題的研究較少［２ －５］。王道勇等［６］僅從懸置角度出發(fā)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。胡云峰［７］、林歆悠［８］、喻金龍［９］等基本是從標(biāo)定角度出發(fā)對(duì)啟動(dòng)沖擊問題進(jìn)行理論控制研究，但對(duì)工程應(yīng)用研究較少。因此，本文從啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行逐步分析，對(duì)可能引起啟動(dòng)抖動(dòng)的原因進(jìn)行深層次的分析，同時(shí)采用不同的試驗(yàn)方案進(jìn)行排查，最后針對(duì)啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象提出了可行的解決方案，具有較強(qiáng)的參考意義。

1  混動(dòng)總成結(jié)構(gòu)及啟動(dòng)振動(dòng)現(xiàn)象

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


圖１　動(dòng)力合成箱機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖


圖２　動(dòng)力合成箱原理

由圖２ 的動(dòng)力合成箱原理可知，該系統(tǒng)通過行星齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率分流，發(fā)動(dòng)機(jī)功率一部分通過機(jī)械路徑傳遞輸出，另一部分通過電功率路徑傳遞到電動(dòng)機(jī)輸出。該方案采用雙電機(jī)調(diào)速，可獲得更高的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可避免多種模式切換帶來的轉(zhuǎn)矩中斷。
對(duì)ＰＨＥＶ 車型的樣車進(jìn)行ＮＶＨ 性能實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，車輛啟動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火）時(shí)和行車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)整車抖動(dòng)嚴(yán)重，啟動(dòng)過程伴隨“哐哐”聲。抖動(dòng)過程中有２ 次以上的抖動(dòng)沖擊，且抖動(dòng)衰減時(shí)間長(zhǎng)，收斂速度慢，主觀感受極差。啟動(dòng)工況時(shí)，座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖３ 所示，頻譜分析結(jié)果如圖４ 所示。測(cè)試結(jié)果表明：?jiǎn)?dòng)過程中座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)峰值為０．０９ｇ，遠(yuǎn)大于目標(biāo)值０．０５ｇ，振動(dòng)峰值頻率為１１．２７ Ｈｚ。查閱相關(guān)文獻(xiàn)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(duì)該頻率段的振動(dòng)較敏感［８］，而在這個(gè)頻率段內(nèi)集中著動(dòng)力總成的多個(gè)剛體模態(tài)，懸架系統(tǒng)模態(tài)、整車剛體模態(tài)等多個(gè)模態(tài)，這些系統(tǒng)都無(wú)法避開該頻率區(qū)域，因此應(yīng)通過找到激勵(lì)源并減少激勵(lì)或者通過優(yōu)化懸置傳遞等途徑來解決此問題。


圖３　振動(dòng)測(cè)試結(jié)果


圖４　振動(dòng)測(cè)試頻譜圖結(jié)果

2  啟動(dòng)過程控制邏輯

傳統(tǒng)自動(dòng)擋燃油車由于有離合器和液力變矩器，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)斷開，故啟動(dòng)時(shí)負(fù)載相對(duì)較小。該型混動(dòng)車輛在啟動(dòng)和熄火時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)處于連接狀態(tài)，負(fù)載相對(duì)較大，其啟動(dòng)過程的實(shí)現(xiàn)和控制邏輯會(huì)更加復(fù)雜。因此，對(duì)混合動(dòng)力的汽車來說，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停熄火過程所引起的ＮＶＨ 問題更為復(fù)雜。

本款車型啟動(dòng)時(shí)，ＨＣＵ 接收到啟動(dòng)信號(hào)后發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)請(qǐng)求及啟動(dòng)模式信號(hào)給ＥＭＳ。同時(shí)，ＨＣＵ 發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)到Ｅ２ 號(hào)電機(jī)，使其拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到目標(biāo)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(qǐng)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(diǎn)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(hào)，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。若大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，ＥＭＳ 發(fā)出點(diǎn)火成功標(biāo)志位；若沒有該信號(hào)，則表示點(diǎn)火失敗。點(diǎn)火控制邏輯過程如圖５ 所示。


點(diǎn)火過程中，Ｅ２ 號(hào)電機(jī)扭矩不會(huì)中斷，并且Ｅ２ 號(hào)電機(jī)會(huì)一直通過行星齒輪機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸剛性連接。因此，采用該種啟動(dòng)方案的車型，其啟動(dòng)過程可分成２ 個(gè)主要階段。第１ 階段是Ｅ２ 號(hào)啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速過程，第２ 階段是發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速噴油點(diǎn)火過程。

3  啟動(dòng)抖動(dòng)的機(jī)理分析

根據(jù)對(duì)啟動(dòng)過程的分析結(jié)果可知，本文的啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象可能發(fā)生在拖動(dòng)階段，也可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火激勵(lì)大造成沖擊力大引起整車抖動(dòng)。在拖動(dòng)階段，啟動(dòng)頻率與動(dòng)力總成俯仰模態(tài)共振或者啟動(dòng)扭矩不足會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)抖動(dòng)，在點(diǎn)火啟動(dòng)瞬間沖擊大但懸置緩沖或者隔振不足也會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)抖動(dòng)。

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

３.１　模態(tài)共振

電機(jī)Ｅ２ 拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速９００ ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)Ｅ２ 的轉(zhuǎn)速由０ 到１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，拖動(dòng)過程中電機(jī)的主要激勵(lì)頻率范圍為０ ～１５０ Ｈｚ，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率范圍０ ～３０ Ｈｚ，該激勵(lì)可能激起動(dòng)力總成剛體模態(tài)和傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)。為驗(yàn)證拖動(dòng)過程中動(dòng)力總成剛體模態(tài)或者傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)是否被激勵(lì)起來，制定如下試驗(yàn)，如表１ 所示。通過主觀評(píng)價(jià)和測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并無(wú)明顯改善效果，因此該種可能原因被排除。



３.２　發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)

拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)的所有點(diǎn)火線圈，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法成功點(diǎn)火，并通過ＯＢＤ 接口讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)在座椅導(dǎo)軌布置振動(dòng)加速度傳感器拾取該處振動(dòng)信號(hào)，測(cè)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(dòng)汽車動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法流程圖

通過時(shí)域?qū)Ρ确治霭l(fā)現(xiàn)，整車抖動(dòng)最大的時(shí)刻發(fā)生在電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中，且在相同時(shí)刻拖動(dòng)電機(jī)的扭矩發(fā)生明顯波動(dòng)。由此可以看出：沖擊抖動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段無(wú)關(guān)；沖擊抖動(dòng)發(fā)生在拖動(dòng)階段。

３.３　發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸背壓

拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)的所有點(diǎn)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(dǎo)軌處振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖７ 所示。


由圖７ 可知：拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈后，座椅導(dǎo)軌處的振動(dòng)峰值比原狀態(tài)有明顯降低，且主觀感受啟動(dòng)抖動(dòng)和“哐框”聲相對(duì)原狀態(tài)有明顯改變。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)背壓是影響啟動(dòng)沖擊的原因之一。

３.４　啟動(dòng)電機(jī)力矩

在原狀態(tài)基礎(chǔ)上，僅將Ｅ２ 電機(jī)的啟動(dòng)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(dǎo)軌處振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖８ 所示。

圖８　測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖８ 可知：電機(jī)扭矩加大后，座椅導(dǎo)軌處抖動(dòng)峰值由原狀態(tài)的０．０９ｇ 降低到０．０４９ｇ，且通過主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)過程中的沖擊抖動(dòng)和“哐框”聲主觀感受有明顯改善，評(píng)價(jià)結(jié)果和客觀測(cè)試一致，說明電機(jī)Ｅ２ 拖動(dòng)扭矩是影響啟動(dòng)沖擊的因素之一。

基于上述測(cè)試方案所得結(jié)果，可以進(jìn)一步得知：?jiǎn)?dòng)Ｅ２ 電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由靜止?fàn)顟B(tài)沖到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過程中，節(jié)氣門始終關(guān)閉，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的被拖過程中倒拖扭矩波動(dòng)大。同時(shí)，Ｅ２ 電機(jī)的拖動(dòng)扭矩相較發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩較小，無(wú)法避免發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩的影響，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)力合成箱輸出扭矩波動(dòng)大，引起啟動(dòng)沖擊抖動(dòng)問題。

4  啟動(dòng)振動(dòng)問題解決方案

４.１　提升啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)力矩

選擇電機(jī)Ｅ２ 的拖動(dòng)扭矩范圍為１６０ ～２２０ Ｎ·ｍ，座椅導(dǎo)軌處的振動(dòng)峰值測(cè)試結(jié)果如圖９ 所示。由圖９ 可知，電機(jī)拖動(dòng)扭矩可以有效擾動(dòng)座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)情況，進(jìn)而解決啟動(dòng)沖擊問題。選擇拖動(dòng)扭矩２００ Ｎ·ｍ 時(shí)啟動(dòng)效果最好，基本滿足開發(fā)目標(biāo)要求。



４.２　調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣

門開度電機(jī)Ｅ２ 拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)試和主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該方案對(duì)啟停抖動(dòng)有明顯改善，說明該優(yōu)化方案為有效方案。但該方案實(shí)施過程需第三方標(biāo)定介入，周期較長(zhǎng)。

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



5  結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)產(chǎn)某混動(dòng)車型為研究對(duì)象進(jìn)行機(jī)理分析，并制定一系列試驗(yàn)方案尋找啟動(dòng)過程中的整車抖動(dòng)原因，最終確定整車抖動(dòng)的原因?yàn)殡姍C(jī)Ｅ２ 拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中扭矩波動(dòng)導(dǎo)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(dòng)抖動(dòng)問題，驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的有效性。該啟動(dòng)抖動(dòng)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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