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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】本文結合混合動力汽車的結構形式、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】本文結合混合動力汽車的結構形式、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構較傳統(tǒng)車復雜，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，還產生與傳統(tǒng)汽車不同的ＮＶＨ 問題。
１．１ 混合動力汽車硬件結構及軟件控制對整車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電機驅動，例如電動空調、電動制動助力系統(tǒng)等，由電器附件產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，其標定過程應考慮整車ＮＶＨ 性能。如發(fā)動機的轉速轉矩控制、電動機的轉速轉矩控制，動力電池冷卻風扇的轉速控制，在滿足動力性及熱平衡基礎上，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)主要關注的是電動空調的噪聲水平，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，勻速主要關注的是風噪、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、轉子產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，包括結構模態(tài)計算及實驗驗證、強迫振動響應計算及實驗驗證、聲輻射計算及驗證三部分。
電機的結構模態(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，確定電機的結構模態(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，并對聲學包進行優(yōu)化處理，來降低電磁噪聲對車內噪聲影響。
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部件，其最高轉速可達１００００ｒｐｍ 以上，因此使得變速器齒輪轉速也會提高，加重了變速器齒輪嘯叫問題?；旌蟿恿ζ囋谌烷T加速工況下車內出現(xiàn)齒輪嘯叫問題，主要發(fā)生低轉速區(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，兩個驅動電機的驅動力接近于零，齒輪存在嚙合間隙。通過加裝扭轉減振器，來衰減曲軸傳來的扭轉波動，及通過控制程序優(yōu)化，避免電機出現(xiàn)零轉矩工況，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強迫響應分析；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、電動真空助力泵及電池包冷卻風扇等電器附件。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的ＮＶＨ 性能優(yōu)化。
２．５．１ 電動空調系統(tǒng)
電動空調工作時，發(fā)動機可能不工作，在發(fā)動機不工作的情況下，電動空調的噪聲尤為突出。電動空調系統(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，工作過程中產生振動，經由空氣或結構途徑傳至車內，從而影響車輛ＮＶＨ 性能?？梢酝ㄟ^控制電動空調壓縮機動平衡量、控制電動空調壓縮機本體振動、控制電動空調轉速策略來解決電動空調系統(tǒng)的ＮＶＨ 問題。
某車型電動空調振動噪聲優(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)化壓縮機結構路徑的傳遞，使得車內噪聲得以降低。優(yōu)化前后車內噪聲如圖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，其產生的噪聲主要通過結構及空氣路徑傳入車內而影響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移到動力總成前側，且加裝二級隔振，降低結構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)化前后車內噪聲水平（紅色為優(yōu)化后水平，綠色為原狀態(tài)水平）。
3 結語
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，并介紹相應的解決方案及相應的案例，對解決混合動力汽車ＮＶＨ 問題具有指導意義。
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中心，安徽 合肥 ２３００００；２．合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 ２３００００；３．中國汽車技術研究中心，天津 ３０００００）
來源：科技展望 
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