• 來源：《機械傳動》2022年 第46卷 第5期
  

• 作者：張軍、黃文兵、竇國偉、鮑勇仲

• 吉利汽車研究院（寧波）有限公司

由于電驅(qū)傳動系統(tǒng)的“欠阻尼”動力學特性，在某些特定的瞬態(tài)過渡工況，純電動車容易發(fā)生傳動系統(tǒng)的沖擊噪聲或整車抖動問題，嚴重地降低了車輛的駕駛舒適性。

以某前置前驅(qū)純電動車的低速制動工況異響問題為案例，系統(tǒng)地闡述了電驅(qū)傳動系統(tǒng)異常噪聲的測試分析與排查過程，提出了潛在的電驅(qū)系統(tǒng)異響機理與控制策略方法；并在不改變傳動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的條件下，通過電機轉(zhuǎn)矩過零濾波策略和主動阻尼控制的改進優(yōu)化，消除了該車型在減速制動過程的異響問題。

實車測試驗證了改進方案的有效性。這對于解決類似的電驅(qū)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。

與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動車傳動系統(tǒng)的各零部件都采用了“硬連接”形式，沒有扭轉(zhuǎn)減振器、離合器、柔性聯(lián)軸器或液力變矩器等傳動減振器件。而且，驅(qū)動電機調(diào)速與轉(zhuǎn)矩輸出特性與燃油發(fā)動機差別很大，其動力響應更快，傳動換向更頻繁快速，轉(zhuǎn)矩輸出的變化率也更大。因此，純電動車在快速起步、Tip in/out、能量回收切換等工況，容易發(fā)生傳動系統(tǒng)異響或整車抖動問題，嚴重地影響駕駛的舒適性。

劉成強等研究了某小型純電動車的驅(qū)動電機電磁轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，以及輪胎剛度對整車振動的影響；Ravuhandran M 等設計了一種開關(guān)模式控制系統(tǒng)，以解決傳動間隙引起的電動汽車行駛聳動問題；于蓬等通過前/后饋主動控制算法的設計，同時對懸置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改善了某搭載集成驅(qū)動式純電動車的起步抖動問題；劉寧等根據(jù)同步電機系統(tǒng)對周期性擾動力矩的衰減程度，對轉(zhuǎn)速環(huán)的比例增益進行補償。趙治國等研究了純電動車Tip in/out工況的前饋校正與主動阻尼防抖控制問題；Galvagno E 等提出了以傳動系統(tǒng)殼體振動特征評估整車換擋過程周期性沖擊噪聲的嚴重度。但國內(nèi)外學者對純電動車低速制動過程瞬態(tài)噪聲問題的研究還較少，缺少系統(tǒng)性的工程解決方法。

本文中以某純電動車低速制動過程的異響問題為案例，介紹了測試分析與問題排查的過程，提出了潛在的敲擊噪聲機理與控制策略方法；在不改變傳動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的條件下，實車驗證了控制策略優(yōu)化改進措施的有效性，解決了該車型的減速異響問題。這對于解決類似的電驅(qū)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。

1 問題描述

某前置前驅(qū)純電動轎車搭載了“三合一”集成式電驅(qū)動總成，在15 km/h以下勻速行駛工況下，在中度或輕度制動的靜止過程中，駕乘人員能夠明顯地感知到前機艙內(nèi)存在“咔咔”的異響聲，但沒有車輛的抖動或聳動情況發(fā)生。

由于純電動車低速行駛的車內(nèi)背景噪聲較小，沒有路噪和風噪等背景噪聲的掩蓋效應。因此，這種連續(xù)性的瞬態(tài)沖擊聲就很容易被感知察覺，降低了車輛駕乘的舒適性，會引起市場用戶的抱怨。通常，對于這種瞬態(tài)過程的整車異響問題，其影響因素較多，問題分析與排查的過程也較復雜。

1.1 整車的測試方案

經(jīng)主觀評價，可以大致判斷異響發(fā)生在前機艙內(nèi)，但是具體異響發(fā)生位置很難通過主觀識別。所以，為了進一步明確異響的工況特征，排查異響與電驅(qū)動總成的關(guān)聯(lián)性，在電驅(qū)總成底部的減速器殼體表面上布置了一個三向加速度振動傳感器，如圖 1 所 示；同時，在車內(nèi)駕駛員位置布置了麥克風，通過CAN總線采集電機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩等信息。

測試方法為：車輛在平直光滑路面上緩慢加速到10 km/h左右，快速松開加速踏板，輕/中度制動到車輛停止，多次循環(huán)重復操作，同步測試與采集各通道的信號。

圖1 電驅(qū)底部振動傳感器測點布置及整車坐標系

1. 2 整車測試結(jié)果的分析

圖 2 所示為車內(nèi)噪聲與電驅(qū)殼體振動的時域特征測試結(jié)果對比分析，從中可以得知：

① 異響發(fā)生在車輛減速到靜止階段，如圖 2 中標黃所示，制動能量回收逐漸減小，當電機輸出轉(zhuǎn)矩為 0 時，電機轉(zhuǎn)速在零點位置出現(xiàn) 100 r/min 以內(nèi)的波動；在持續(xù)時間 1. 3 s 左右范圍內(nèi)，減速器殼體表面的振動加速度出現(xiàn)了 6~10 次的瞬時沖擊特征。

② 經(jīng)振動數(shù)據(jù)的時域音頻回放主觀辨識，減速器振動與車內(nèi)噪聲具有強關(guān)聯(lián)性，而且，振動沖擊特征比車內(nèi)聲壓更顯著地表征出機艙的異響問題。

③ 與第一次測試相比，第二次測試過程的電機轉(zhuǎn)速波動幅值更大，電驅(qū)殼體振動的沖擊特征更顯著，機艙異響的主觀感知更明顯。

④ 電驅(qū)總成殼體振動的瞬時沖擊特征在 Z 向最為顯著，而在軸向（Y 向）只是輕微存在瞬態(tài)沖擊峰值，這說明電驅(qū)總成軸向竄動引起異響問題的可能性較低。

圖2 車內(nèi)噪聲與電驅(qū)殼體振動的時域特征測試分析

截取圖 2 中第一次測試過程異響發(fā)生的時域范圍，如圖 3所示，進行小尺度的測試數(shù)據(jù)分析對比。

從中可以得知：

① 在電機振蕩轉(zhuǎn)速上升或下降的各個半波長區(qū)間，減速器殼體振動均出現(xiàn) 1~2 次的沖擊峰值特征。

② 當轉(zhuǎn)速波動逐漸減小時，振動峰值隨之降低，直至消失。

③ 根據(jù)各轉(zhuǎn)速周期振蕩的時間間隔，可初步估計振蕩頻率為 3. 1~4. 7 Hz，這接近于整車傳動系統(tǒng)的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。

圖3 電驅(qū)殼體振動與電機轉(zhuǎn)速的時域波形對比

從以上測試分析結(jié)果推測，該異響與電機轉(zhuǎn)速的波動密切相關(guān)。其潛在原因是：在車輛靜止過程中，電機轉(zhuǎn)子在慣性載荷作用下，在零點位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)速振蕩現(xiàn)象；由于傳動側(cè)隙的客觀存在，從而引起電驅(qū)總成傳動系統(tǒng)內(nèi)部多次的撞擊或敲擊。

為了更準確地識別電驅(qū)動系統(tǒng)的異響位置，借助便攜式多通道電子聽音設備，在整車半消聲室轉(zhuǎn)轂實驗室內(nèi)開展了更細致的現(xiàn)場診斷。車輛在低速制動工況下，懸置系統(tǒng)沒有發(fā)生過度的翻轉(zhuǎn)和限位撞擊現(xiàn)象；對前機艙內(nèi)電驅(qū)總成傳動系統(tǒng)各個位置的主觀監(jiān)聽評價對比，減速器殼體的異響特征最為明顯，電機側(cè)端蓋、左/右驅(qū)動半軸的內(nèi)外球籠以及制動卡鉗位置都只存在輕微異響。因此，結(jié)合圖2和 圖3所示的測試分析結(jié)果，進一步推斷該異響問題發(fā)生在減速器內(nèi)部。

2 電驅(qū)傳動系統(tǒng)異響潛在機理及控制措施

如圖4所示，該純電動車電驅(qū)傳動系統(tǒng)采用的是單級機械減速器，速比大、轉(zhuǎn)速高，需考慮潤滑冷卻、熱變形和磨損等因素。因此，必須保證合理的齒輪側(cè)隙，以避免引起機械傳動系統(tǒng)的回滯非線性特征。否則，根據(jù)電驅(qū)傳動系統(tǒng)的“欠阻尼”動力學特性，在電機轉(zhuǎn)矩正/負切換的過零過程，或者在電機轉(zhuǎn)速波動較大的情況下，很容易引起電驅(qū)傳動系統(tǒng)的噪聲振動問題。

對于這種電驅(qū)傳動間隙引起的瞬態(tài)工況異響問題，工程上的解決思路有兩種：一種是盡量減小傳動系統(tǒng)部件的間隙，或者通過優(yōu)化傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，減小瞬態(tài)沖擊過程的能量，比如減小各個傳動連接部件的間隙，優(yōu)化傳動部件慣量和扭轉(zhuǎn)剛度，減小軸向竄動的限位量或者增加傳動系統(tǒng)的拖滯阻尼等。另一種是采用更精準的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制策略方法，消除或減小傳動系統(tǒng)的瞬態(tài)激勵能量水平。

圖4 電驅(qū)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2. 1 傳動系統(tǒng)間隙與齒輪敲擊模式

如圖5所示，為了分析電驅(qū)動系統(tǒng)齒輪間隙在嚙合過程的作用，通常采用齒側(cè)非線性分段函數(shù)F (x_ij )表示齒輪動態(tài)嚙合力，以研究不同嚙合接觸狀態(tài)下的齒輪敲擊模式。其中，x_ij 為齒輪副之間的實時傳動間隙；b為齒輪的總體齒側(cè)間隙。

圖5 齒輪嚙合情況與敲擊現(xiàn)象的示意圖

降低齒側(cè)間隙，減小傳遞誤差，可以提升轉(zhuǎn)矩傳遞的穩(wěn)定性，減小傳動轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速波動下的齒輪敲擊噪聲問題，但電驅(qū)動總成減速箱的齒輪制造加工與安裝精度要求則急劇增加，并需要重新進行耐久可靠性的開發(fā)驗證。而采用適度提高電機或減速箱的冷卻潤滑介質(zhì)黏度，增加齒輪拖曳力矩，優(yōu)化齒輪慣量與扭轉(zhuǎn)剛度等方法，也能改善電驅(qū)動系統(tǒng)的敲擊噪聲問題。 

2. 2 電機轉(zhuǎn)速波動的主動控制策略分析

純電動車減速過程中，在電機轉(zhuǎn)矩正/負換向的“過零”階段，為了避免傳動間隙之間的沖擊噪聲問題，通常采用轉(zhuǎn)矩低通濾波、限制轉(zhuǎn)矩變化率和適度增加過零時間等措施的前饋開環(huán)式整車轉(zhuǎn)矩控制方法，如圖 6 所示。但這會降低整車的動力響應速度，降低行駛平順性，導致動力遲滯感。

而對于電機轉(zhuǎn)速波動引起的電驅(qū)傳動系統(tǒng)振動噪聲問題，目前廣泛采用主動阻尼的閉環(huán)控制策略，利用電機的快速轉(zhuǎn)矩響應特性，把電機作為主動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，將主動阻尼控制算法直接集成到控制器中，模擬電驅(qū)傳動系統(tǒng)對動力源轉(zhuǎn)矩的阻尼衰減作用，主動補償與電機轉(zhuǎn)速波動反相位的轉(zhuǎn)矩變化，從而抑制轉(zhuǎn)速波動。典型的實時主動阻尼控制邏輯架構(gòu)如圖7所示。

圖6 減速過程的電機“轉(zhuǎn)矩過零”濾波前饋策略示意圖

圖7 實時閉環(huán)的主動阻尼控制策略邏輯架構(gòu)示意圖

然而，在純電動車低速輕載荷的行駛工況下，由于整車驅(qū)動負荷的瞬時模糊性（比如，路面坡度和制動需求的不確定性），電機低轉(zhuǎn)速的電流畸變和電驅(qū)動系統(tǒng)動力耦合的復雜性，客觀存在的傳動間隙滯回特征，以及輪邊轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速信號通道的不穩(wěn)定性等參數(shù)擾動因素，將可能導致閉環(huán)主動阻尼控制方法無法精準補償電機轉(zhuǎn)速的波動，反而會造成轉(zhuǎn)速震蕩的加劇，導致電驅(qū)傳動系統(tǒng)的敲擊噪聲問題，甚至引起整車的抖動。 

3 標定優(yōu)化與驗證

根據(jù)以上對低速制動過程異響問題潛在機理的分析，考慮到車型開發(fā)的工程可行性要求，本文中主要從電驅(qū)動控制策略的標定方面，進行了系統(tǒng)優(yōu)化與實車驗證。基于不顯著影響車輛駕駛性的前提，實際應用的工程措施方案為： 

（1） 在低速制動的“轉(zhuǎn)矩過零”過渡工況，觸發(fā)前饋轉(zhuǎn)矩濾波控制邏輯，適度增加靠齒時間，降低電機轉(zhuǎn)矩的變化梯度，減緩轉(zhuǎn)矩變向?qū)鲃酉到y(tǒng)的慣性沖擊。

（2）“轉(zhuǎn)矩過零”和電機轉(zhuǎn)速接近為零的階段，即在傳動系統(tǒng)異響容易發(fā)生的工況，退出主動阻尼策略的控制介入，利用傳動結(jié)構(gòu)的自身阻尼特性抑制轉(zhuǎn)速震蕩現(xiàn)象，增加電驅(qū)動控制系統(tǒng)的魯棒性；退出條件設置為：前/后兩幀轉(zhuǎn)速信號的乘積為負，并且電機需求轉(zhuǎn)矩絕對值小于2. 2 N?m。

（3） 在 前 饋 轉(zhuǎn) 矩 濾 波 功 能 的 作 用 時 間 大 于500 ms，或者需求轉(zhuǎn)矩大于2. 5 N?m時，退出“轉(zhuǎn)矩過零”前饋控制作用，重新使其能主動阻尼控制，提升動力響應速度；同時，減小快速上升的轉(zhuǎn)矩對電驅(qū)傳動系統(tǒng)的沖擊激勵，避免潛在的整車抖動問題。以上措施涉及的具體參數(shù)數(shù)值，需要根據(jù)各車型的電驅(qū)動系統(tǒng)特性和實車問題進行適應性標定設置。

經(jīng)對標定優(yōu)化后車輛的主觀綜合駕評與測試對比分析，車輛駕駛平順性與動力響應性并沒有明顯下降，主觀評價已感知不到傳動系統(tǒng)的敲擊異響。圖8所示為標定優(yōu)化前后的測試對比分析，在車輛減速到靜止的過程中，由于電機轉(zhuǎn)速振蕩波動特征明顯地改善，減速器殼體的瞬態(tài)沖擊振動峰值顯著降低，振動沖擊次數(shù)也明顯減少。

（a） 標定策略優(yōu)化前

（b） 標定策略優(yōu)化后

圖8 純電動汽車低速制動工況異響的標定優(yōu)化對比

4 結(jié)語

電驅(qū)傳動系統(tǒng)是純電動車中的重要組成部分，由于電機轉(zhuǎn)矩輸出與減速器結(jié)構(gòu)設計的特點，常會出現(xiàn)整車行駛載荷瞬時交變工況的敲擊噪聲抖動問題，會嚴重地降低駕乘舒適性。

以某前置前驅(qū)純電動車的低速制動工況異響問題為案例，系統(tǒng)性地闡述了電驅(qū)傳動系統(tǒng)敲擊噪聲的測試分析與排查過程，提出了潛在的電驅(qū)系統(tǒng)異響機理與控制策略方法。并且，通過電機轉(zhuǎn)矩過零濾波策略和主動阻尼控制的改進優(yōu)化，解決了該車型的減速制動異響問題，實車測試驗證了改進方案的有效性，這對于解決類似的電驅(qū)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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