針對啟動抖動會嚴(yán)重影響整車NVH性能的問題，研究了某SUV混動車型啟動工況下的整車抖動問題，確定了啟動抖動產(chǎn)生的根本原因。通過制定一系列的試驗方案進(jìn)行對比分析，并結(jié)合LMS測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析，明確導(dǎo)致整車啟動抖動的根本原因是啟動電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)過程中扭矩波動導(dǎo)致。

本文從啟動抖動現(xiàn)象進(jìn)行逐步分析，對可能引起啟動抖動的原因進(jìn)行深層次的分析，同時采用不同的試驗方案進(jìn)行排查，最后針對啟動抖動現(xiàn)象提出了可行的解決方案，具有較強(qiáng)的參考意義。

1 混動總成結(jié)構(gòu)及啟動振動現(xiàn)象

本文研究對象為可插電式混動汽車(PHEV)，采用動力分流雙電機(jī)混聯(lián)混合動力方案(PS方案)。動力配置為1.8自然吸氣+CHS動力合成箱，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 動力合成箱機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 動力合成箱原理

由圖2的動力合成箱原理可知，該系統(tǒng)通過行星齒輪機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行功率分流，發(fā)動機(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，同時可避免多種模式切換帶來的轉(zhuǎn)矩中斷。

對PHEV車型的樣車進(jìn)行NVH性能實測時發(fā)現(xiàn)，車輛啟動(發(fā)動機(jī)點火)時和行車過程中發(fā)動機(jī)介入時整車抖動嚴(yán)重，啟動過程伴隨“哐哐”聲。抖動過程中有2次以上的抖動沖擊，且抖動衰減時間長，收斂速度慢，主觀感受極差。啟動工況時，座椅導(dǎo)軌處振動測試結(jié)果如圖3所示，頻譜分析結(jié)果如圖4所示。測試結(jié)果表明：啟動過程中座椅導(dǎo)軌處振動峰值為0.09g，遠(yuǎn)大于目標(biāo)值0.05g，振動峰值頻率為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,所以人體對該頻率段的振動較敏感，而在這個頻率段內(nèi)集中著動力總成的多個剛體模態(tài)，懸架系統(tǒng)模態(tài)、整車剛體模態(tài)等多個模態(tài)，這些系統(tǒng)都無法避開該頻率區(qū)域，因此應(yīng)通過找到激勵源并減少激勵或者通過優(yōu)化懸置傳遞等途徑來解決此問題。

圖3 振動測試結(jié)果

圖4 振動測試頻譜圖結(jié)果

2 啟動過程控制邏輯

傳統(tǒng)自動擋燃油車由于有離合器和液力變矩器，在發(fā)動機(jī)啟停時將發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)斷開，故啟動時負(fù)載相對較小。該型混動車輛在啟動和熄火時，發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)處于連接狀態(tài)，負(fù)載相對較大，其啟動過程的實現(xiàn)和控制邏輯會更加復(fù)雜。因此，對混合動力的汽車來說，發(fā)動機(jī)啟停熄火過程所引起的NVH問題更為復(fù)雜。

本款車型啟動時，HCU接收到啟動信號后發(fā)送發(fā)動機(jī)啟動請求及啟動模式信號給EMS。同時，HCU發(fā)送請求信號到E2號電機(jī)，使其拖動發(fā)動機(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，判斷發(fā)動機(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)出點火成功標(biāo)志位；若沒有該信號，則表示點火失敗。點火控制邏輯過程如圖5所示。

圖5 啟動控制邏輯

點火過程中，E2號電機(jī)扭矩不會中斷，并且E2號電機(jī)會一直通過行星齒輪機(jī)構(gòu)和發(fā)動機(jī)的輸出軸剛性連接。因此，采用該種啟動方案的車型，其啟動過程可分成2個主要階段。第1階段是E2號啟動電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速過程，第2階段是發(fā)動機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速噴油點火過程。

3 啟動抖動的機(jī)理分析

根據(jù)對啟動過程的分析結(jié)果可知，本文的啟動抖動現(xiàn)象可能發(fā)生在拖動階段，也可能由于發(fā)動機(jī)噴油點火激勵大造成沖擊力大引起整車抖動。在拖動階段，啟動頻率與動力總成俯仰模態(tài)共振或者啟動扭矩不足會導(dǎo)致啟動抖動，在點火啟動瞬間沖擊大但懸置緩沖或者隔振不足也會導(dǎo)致啟動抖動。

由于啟動抖動過程屬于瞬態(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，制定了以下試驗方案對上述可能引起啟動抖動問題的機(jī)理進(jìn)行排查分析。

3.1 模態(tài)共振

電機(jī)E2拖動發(fā)動機(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，拖動過程中電機(jī)的主要激勵頻率范圍為0～150 Hz，發(fā)動機(jī)的激勵頻率范圍0～30 Hz，該激勵可能激起動力總成剛體模態(tài)和傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)。為驗證拖動過程中動力總成剛體模態(tài)或者傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)是否被激勵起來，制定如下試驗，如表1所示。通過主觀評價和測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并無明顯改善效果，因此該種可能原因被排除。

表1 驗證方案

3.2 發(fā)動機(jī)點火激勵

拔掉發(fā)動機(jī)的所有點火線圈，使發(fā)動機(jī)無法成功點火，并通過OBD接口讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，同時在座椅導(dǎo)軌布置振動加速度傳感器拾取該處振動信號，測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和振動測試結(jié)果

通過時域?qū)Ρ确治霭l(fā)現(xiàn)，整車抖動最大的時刻發(fā)生在電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)過程中，且在相同時刻拖動電機(jī)的扭矩發(fā)生明顯波動。

由此可以看出：沖擊抖動與發(fā)動機(jī)點火階段無關(guān)；沖擊抖動發(fā)生在拖動階段。

3.3 發(fā)動機(jī)氣缸背壓

拔掉發(fā)動機(jī)的所有點火線圈并使節(jié)氣門完全打開減小氣缸背壓，與原狀態(tài)的座椅導(dǎo)軌處振動測試結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 振動結(jié)果對比

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

3.4 啟動電機(jī)力矩

在原狀態(tài)基礎(chǔ)上，僅將E2電機(jī)的啟動扭矩由原狀態(tài)的140 N·m增大到200 N·m，與原狀態(tài)的座椅導(dǎo)軌處振動測試數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

圖8 測試結(jié)果對比

由圖8可知：電機(jī)扭矩加大后，座椅導(dǎo)軌處抖動峰值由原狀態(tài)的0.09g降低到0.049g，且通過主觀評價發(fā)現(xiàn)啟動過程中的沖擊抖動和“哐框”聲主觀感受有明顯改善，評價結(jié)果和客觀測試一致，說明電機(jī)E2拖動扭矩是影響啟動沖擊的因素之一。

基于上述測試方案所得結(jié)果，可以進(jìn)一步得知：啟動E2電機(jī)拖動發(fā)動機(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)動機(jī)的被拖過程中倒拖扭矩波動大。同時，E2電機(jī)的拖動扭矩相較發(fā)動機(jī)倒拖扭矩較小，無法避免發(fā)動機(jī)倒拖扭矩的影響，進(jìn)而導(dǎo)致動力合成箱輸出扭矩波動大，引起啟動沖擊抖動問題。

4 啟動振動問題解決方案

4.1 提升啟動電機(jī)啟動力矩

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

圖9 測試結(jié)果

4.2 調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度

電機(jī)E2拖動發(fā)動機(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。通過測試和主觀評價發(fā)現(xiàn)，該方案對啟停抖動有明顯改善，說明該優(yōu)化方案為有效方案。但該方案實施過程需第三方標(biāo)定介入，周期較長。

綜合以上優(yōu)化方案，考慮動力電池的峰值放電功率以及懸置耐久等多項指標(biāo)，制定最終的優(yōu)化方案：電機(jī)E2拖動扭矩加大到190 N·m，與此同時后懸置X向剛度加大到240 N/mm，該方案的座椅導(dǎo)軌處振動測試結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：連續(xù)10次啟動峰值均低于0.05g，滿足開發(fā)目標(biāo)要求。

圖10 最優(yōu)方案測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文以國產(chǎn)某混動車型為研究對象進(jìn)行機(jī)理分析，并制定一系列試驗方案尋找啟動過程中的整車抖動原因，最終確定整車抖動的原因為電機(jī)E2拖動發(fā)動機(jī)過程中扭矩波動導(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抖動問題，驗證了該優(yōu)化方案的有效性。該啟動抖動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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