白云輝，單子懿，田蜀東

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司產(chǎn)品規(guī)劃及新技術(shù)研究院乘用車新技術(shù)研究部，廣東 深圳 518000）

前言

隨著能源的緊缺和環(huán)保壓力的加劇，各大汽車廠都開始布局新能源汽車，如純電動、混合動力車開發(fā)。其中，混合動力汽車耦合發(fā)動機和電機的動力，使其可以保持發(fā)動機驅(qū)動汽車的特點和優(yōu)點，又可以通過電機驅(qū)動來提高燃油經(jīng)濟性和降低排放[1]。

但是混合動力車型的NVH 問題凸顯出來，尤其動力傳動系的扭轉(zhuǎn)振動，及其引起的其它振動或噪聲問題[2]。燃油車或純電車，動力傳動系僅是單一的動力源及傳遞路徑，而混合動力則同時存在多個動力源和傳遞路徑，這些源頭和路徑又相互影響，使其NVH 問題嚴重且更難于解決。

本文以比亞迪某P0+P3+DCT 構(gòu)架混動車型為例，此傳動系有發(fā)動機傳動鏈（發(fā)動機、雙質(zhì)量飛輪、離合器、DCT、差速器）和電機傳動鏈（電機、減速器、差速器）兩個驅(qū)動組成，如圖1 所示。發(fā)動機和電機驅(qū)動路徑匹配不良，加劇系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動，進一步引起變速器或減速器的齒輪敲擊異響，并通過車身結(jié)構(gòu)或輻射噪聲傳入車內(nèi)，引起抱怨。下文詳細闡述了此敲擊問題的原因排查和優(yōu)化解決過程。

圖1 某混動車型驅(qū)動系統(tǒng)

1 齒輪敲擊異響問題

1.1 敲擊異響識別

基于P0+P3+DCT 構(gòu)架的某混動車型，混合動力模式下，在五檔和六檔高速穩(wěn)態(tài)行駛時，機艙內(nèi)傳出敲擊異響，主觀評價不可接受，需要改進。

通過測試數(shù)據(jù)對比及音頻分析，診斷問題工況在整車小油門下，車速80-100km/h、發(fā)動機轉(zhuǎn)速1600-1900rpm，變速器齒輪敲擊，且敲擊噪聲主要頻率段為200-700Hz。敲擊發(fā)生時，車內(nèi)噪聲和變速器殼體振動頻譜如圖2 所示。

圖2 問題工況振動和噪聲

1.2 敲擊異響機理

傳動齒輪工作時，傳遞載荷的擋位齒輪稱為承載齒輪，不傳遞載荷的空轉(zhuǎn)齒輪稱為非承載齒輪。由于發(fā)動機和驅(qū)動電機輸出扭矩都存在波動，導(dǎo)致非承載齒輪、同步齒環(huán)等在旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動，然后在齒輪對的齒間側(cè)隙內(nèi)產(chǎn)生了不規(guī)則的往復(fù)敲擊噪聲[3-4]。如圖3 所示[3]，敲擊運動過程：①齒輪正面接觸一起運動；②齒輪無嚙合運動；③齒輪背面撞擊；④齒輪背面接觸一起運動；⑤齒輪正面撞擊。

圖3 齒輪敲擊原理圖

對于此混合動力系統(tǒng)齒輪敲擊異響，可能發(fā)生原因和傳遞路徑[4-6]，總結(jié)出如圖4 所示魚骨圖。

根據(jù)魚骨圖分析，基于CAE 和試驗找出敲擊發(fā)生的根本原因及相應(yīng)的解決方案。

圖4 齒輪敲擊原因分析魚骨圖

2 敲擊仿真分析

對該混合動力車型的傳動系統(tǒng)進行扭振和敲擊建模分析?？紤]發(fā)動機缸壓、雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)減振特性、齒輪攪油阻力矩等因素，建立如圖5 所示，包含發(fā)動機、雙質(zhì)量飛輪、6 速濕式雙離合變速器、三級減速器、P0 電機、P3 電機、傳動軸、車輪和整車質(zhì)量等的動力學(xué)分析模型。

圖5 整車傳動系動力學(xué)模型

通過計算，輸出雙質(zhì)量飛輪主次級盤的二階角加速度波動值，并與試驗結(jié)果對比，由圖6 可以看出二者趨勢大體一致，仿真模型可以定性的給出優(yōu)化方向。次級盤的角加速度波動（sec. side Sim）在發(fā)動機1600-1900rpm 時較大，要求在800rad/s^2 以內(nèi)，圖示結(jié)果超標較多；同時，可以看出在此轉(zhuǎn)速段，雙質(zhì)量飛輪隔振率較低，一般要求隔振率要大于60%。結(jié)合扭振測試結(jié)果，分析此段隔振率低主要是因為雙質(zhì)量飛輪彈簧剛度較高，且此工況下，彈簧剛度處于2 段和3 段剛度的過度點。

圖6 飛輪二階角加速度結(jié)果

進一步分析，識別出電驅(qū)鏈減速器中間軸齒輪存在嚴重敲擊風(fēng)險，分析結(jié)果如圖7 所示。

圖7 減速器中間軸齒輪敲擊結(jié)果

另外通過CAE 分析發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機單缸壓減小，飛輪次級盤二階角加速度波動明顯變??；電機驅(qū)動鏈齒輪側(cè)隙和轉(zhuǎn)動慣量減小，系統(tǒng)扭振也明顯變??；雙質(zhì)量飛輪動態(tài)阻尼力矩越小，彈簧剛度變小，飛輪的減振效果變好。圖8 為優(yōu)化飛輪彈簧剛度后，飛輪次極端角加速度波動變化明顯變小，其對接入的變速器齒輪敲擊改善明顯。另外，在模型中增加離合器滑磨和少接等策略，也能減小敲擊風(fēng)險。

圖8 優(yōu)化彈簧剛度次級飛輪角加速度對比

3 試驗分析驗證

3.1 發(fā)動機激勵

通過發(fā)動機電噴的優(yōu)化，減小發(fā)動機的缸壓及缸間波動量，降低激勵源，其對齒輪的敲擊異響有改善效果，聲音變小，如圖9 所示。但降低缸壓也同時降低了發(fā)動機輸出扭矩，影響動力性。

圖9 降低缸壓前后敲擊異響變化

3.2 雙質(zhì)量飛輪優(yōu)化

改變油脂減小雙質(zhì)量飛輪動的態(tài)阻尼力，約降低10%。新樣件搭載實車驗證，主觀評價對異響基本無改善。根據(jù)前面CAE 分析數(shù)據(jù)，制作優(yōu)化彈簧剛度的雙質(zhì)量飛輪。裝車驗證，齒輪敲擊發(fā)生的頻次和響度都明顯降低，驗證了前期分析準確性。

3.3 電驅(qū)傳動鏈慣量

圖10 電驅(qū)慣量斷開敲擊異響變化

此混合動力車型在純?nèi)加湍Ｊ较逻\行，此時電驅(qū)動鏈仍與變速器有物理連接，在問題工況下仍有敲擊異響。進一步把電機及輸出齒軸從物理上斷開，相當于減少慣量，異響減輕，如圖10 所示，響度和發(fā)生頻次基本能接受，但此方案實際不可實施，僅為原因排查手段。

3.4 電驅(qū)傳動鏈齒輪側(cè)隙

由于裝配和加工工藝的誤差，各減速器得齒輪側(cè)隙存在差異，通過實測一輛電驅(qū)傳動鏈側(cè)隙較小車驗證，其同樣存在敲擊聲，只是稍小，不可接受。此方案優(yōu)化空間小。

3.5 齒輪拖拽力改變

此案例中敲擊異響變速器6 擋時最嚴重，此時非承載齒輪分別為2 擋和4 擋。分別在各從動齒輪處加一個阻尼環(huán)，增大阻力矩。通過實車驗證，對敲擊無改善。后續(xù)增加其它齒軸間阻尼，均無效果。

增加變速器中油液粘度，原理也是加大齒軸的拖拽力矩，其對敲擊異響稍有改善，但不能根本解決問題，且隨著車輛里程的加大，效果逐漸減小。

3.6 控制策略優(yōu)化

（1）增加電機扭矩。問題工況車輛勻速進行，油門開度約10%，驅(qū)動電機扭矩約-25Nm，負號表示處于發(fā)電狀態(tài)。當把電機的扭矩以間隔5Nm 逐次增加時，主觀感受敲擊異響逐漸變小，如圖11 所示。當加到-50Nm 以上時，異響基本消失。分析為電機的扭矩壓制住了原敲擊齒輪的振動。但同樣車輛工況下，此方案會加大發(fā)動機的負荷，增加發(fā)動機噪聲和油耗。

圖11 電機加扭矩敲擊異響變化

（2）離合器加滑磨優(yōu)化。在問題工況轉(zhuǎn)速下，離合器加50rpm 的滑磨策略，通過主觀評價，敲擊噪聲基本聽不到，測試數(shù)據(jù)也改善明顯，如圖12 所示。

圖12 增加滑磨敲擊異響對比

（3）換擋策略優(yōu)化。通過試驗驗證，優(yōu)化換擋策略，提高5、6 擋換擋點，以及改進離合預(yù)掛擋策略，能避開問題轉(zhuǎn)速或降低扭振敲擊風(fēng)險，但也不能完全解決問題，同時會影響動力平順性和增加能耗。

3.7 傳遞路徑排查

因為此敲擊異響頻率范圍較寬（200 - 700Hz），嘗試通過結(jié)構(gòu)傳遞路徑的排查及優(yōu)化，減小傳遞到車內(nèi)的噪聲。本案例中對懸置路徑、空調(diào)管路路徑、油管、排氣、變速器與車身連接線等進行排查，沒有主要的異響傳遞路徑，無優(yōu)化空間。

另一方面加強變速器殼體剛度、軸承安裝處動剛度，減小殼體的振動，從而減小其輻射噪聲[4]。本案例鑒于更改變速器結(jié)構(gòu)的周期和成本，沒有實施樣件及驗證。

3.8 綜合解決方案

結(jié)合CAE 分析和試驗驗證。判斷敲擊來自于電驅(qū)傳動鏈齒輪，當電機小扭矩（在問題工況，油門開度很小，電機輸出扭矩也?。┗驘o扭矩輸出時，電驅(qū)動鏈中的齒輪對相當于空套齒輪，且其轉(zhuǎn)動慣量很大（減速齒軸及電機轉(zhuǎn)子），從發(fā)動機傳動鏈傳遞過來的扭矩波動使電驅(qū)動鏈中的齒輪產(chǎn)生敲擊。

綜合前面各解決方案：從硬件上，電機轉(zhuǎn)子和與其連接的減速器軸齒都進行了輕量化設(shè)計，優(yōu)化了雙質(zhì)量飛輪的彈簧剛度；軟件上，稍加大電機加載扭矩，優(yōu)化離合器微滑磨策略。多項方案并施，最終完全解決了問題，且對其它性能影響很小。

4 結(jié)論

本文以比亞迪某混動車型高速穩(wěn)態(tài)運行工況下，傳動系齒輪敲擊異響解決為例，基于CAE 和試驗，對異響問題識別，原因排查分析，以及從硬件改進、軟件策略和傳遞路徑優(yōu)化等方面解決驗證，綜述了各方案的效果及影響。最終通過軟硬件優(yōu)化的綜合方案實施，盡量減小對動力性、可靠性、能耗和成本的影響前提下，解決了問題。通過此案例，也為后續(xù)混合動力車型動力系統(tǒng)NVH 風(fēng)險防治積累了經(jīng)驗。