達(dá)偉偉　褚略超

摘 要：NVH性能在混合動(dòng)力汽車開發(fā)過程應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)證與優(yōu)化。公司某混動(dòng)車型在開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)怠速充電時(shí)方向盤振動(dòng)大問題。為解決此問題，從振動(dòng)產(chǎn)生與傳遞的工作原理出發(fā)，分析并制定出可行的改進(jìn)方案，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本要求，最終選定最優(yōu)方案、解決該問題，新產(chǎn)品NVH性能有效提升。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 方向盤 NVH

1 背景

面對(duì)全球能源危機(jī)及日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，新能源汽車逐漸興起，目前已快速成為汽車市場(chǎng)的主力軍。從能量轉(zhuǎn)化角度來講，新能源車又可以分為電動(dòng)車、燃料電池車、混合動(dòng)力車三類。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車通過內(nèi)燃機(jī)工作效率的優(yōu)化，怠速停機(jī)和制動(dòng)能量回收等措施實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)與混合制動(dòng)，達(dá)到整車節(jié)能減排的目標(biāo)；基于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率、制動(dòng)能量回收和附屬系統(tǒng)的電動(dòng)化等途徑，純電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)了整車的高效率運(yùn)行；插電式混合動(dòng)力通過車外充電與車載發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合，集聚了上述兩種車型的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)短途的純電動(dòng)運(yùn)行與遠(yuǎn)途的混合動(dòng)力運(yùn)行[1]。

混動(dòng)汽車常見三種類型：外插電式混動(dòng)、油電混聯(lián)式混動(dòng)與增程式混動(dòng)。三種混動(dòng)汽車均存在發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵零件，不同的是外插電式混動(dòng)汽車，可以通過DCDC將外部交流電儲(chǔ)存于動(dòng)力電池中，在功率需求滿足的情況下，優(yōu)先使用電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，常見的汽車有比亞迪秦plus。油電混聯(lián)式混動(dòng)則是無法外部充電，因電池容量低、純電續(xù)航較短，因此通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作持續(xù)充電，部分工況發(fā)動(dòng)機(jī)亦可直接驅(qū)動(dòng)，常見車型本田奧德賽。最后一種增程式混動(dòng)，則是在油電混聯(lián)式混動(dòng)的基礎(chǔ)上，加大電池容量，并布置外充系統(tǒng)，但發(fā)動(dòng)機(jī)工作僅用于動(dòng)力電池充電，不參與直接驅(qū)動(dòng)，常見車型理想one[2]。

混動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，增加了動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)等高壓系統(tǒng)，成本增加，對(duì)整車定價(jià)會(huì)有所提高，從而降低用戶購(gòu)買欲望。除了整車成本、價(jià)格增加外，對(duì)于整車動(dòng)力系統(tǒng)布置、零件可靠性及耐久驗(yàn)證、關(guān)鍵零件三包服務(wù)、售后問題排查及配件換件返修等，對(duì)主機(jī)廠及服務(wù)站都增加了一定的難度。并且，國(guó)內(nèi)充電服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施目前不夠完善，在一二線城市無法滿足大部分用戶便捷充電需求，在三四線城市則又無法普及。對(duì)比隨處可見的加油站以及3分鐘加滿油的傳統(tǒng)車，外插電式混動(dòng)汽車、增程式汽車可外充的優(yōu)勢(shì)就捉襟見肘了。

本文論述的車型是混動(dòng)汽車中的油電混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，是在原有燃油車型基礎(chǔ)上增加電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，取消變速器及發(fā)電機(jī)。理論上，在用戶常用的起步、低速行駛的工況下通常為純電驅(qū)動(dòng)行駛，NVH性能表現(xiàn)比傳統(tǒng)車更優(yōu)[3]。但油電并聯(lián)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)給電池充電工況也是經(jīng)常出現(xiàn)的用戶實(shí)際用車場(chǎng)景，這個(gè)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與傳遞的振動(dòng)水平接近傳統(tǒng)燃油車，從而預(yù)期的NVH表現(xiàn)受到了挑戰(zhàn)，噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）統(tǒng)稱汽車的NVH特性[4]，作為汽車關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

混動(dòng)汽車已成為時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，在整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性均優(yōu)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，為了順應(yīng)市場(chǎng)需求及減少燃油積分壓力，決定將K車型（本文使用“K”代替該車型名稱）傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，通過動(dòng)力總成變更及驗(yàn)證，迭代量產(chǎn)為油電混動(dòng)車型。經(jīng)過工裝樣件造車，首批體驗(yàn)車交付與用戶進(jìn)行試乘試駕體驗(yàn)，通過用戶體驗(yàn)收集用戶主要關(guān)注問題，并集中資源在整車量產(chǎn)前進(jìn)行問題解決。經(jīng)過6個(gè)月用戶體驗(yàn)及問題收集，發(fā)現(xiàn)用戶集中抱怨問題為：“原地怠速等紅綠燈或等人，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)啟動(dòng)，這個(gè)時(shí)候手握在方向盤周圈上感覺振動(dòng)明顯，有點(diǎn)麻手”。共計(jì)收到用戶抱怨反饋19例，已成為前列重點(diǎn)待解決問題。

2 原因分析

針對(duì)“K”車型用戶體驗(yàn)評(píng)審發(fā)現(xiàn)的怠速等紅綠燈時(shí)方向盤振動(dòng)大問題，評(píng)審人員開展了對(duì)標(biāo)車主觀感知評(píng)審與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外6款混動(dòng)車型在怠速充電時(shí)方向盤的振動(dòng)均明顯強(qiáng)烈于燃油車怠速工況，且主觀評(píng)價(jià)K車型樣車處中下水平。為客觀評(píng)價(jià)方向盤振動(dòng)程度，工程師使用三向加速度傳感器對(duì)相關(guān)樣車進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)試；客觀數(shù)據(jù)與感知評(píng)價(jià)結(jié)論基本一致。（表１）

振動(dòng)從哪里產(chǎn)生，又是如何傳遞到方向盤的？為診斷問題發(fā)生原因、及時(shí)解決此問題，工程師根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生與傳遞的機(jī)理，開展了“K”車型從激勵(lì)源到振動(dòng)傳遞路徑及車內(nèi)響應(yīng)的一系列零件的分析與測(cè)試，并對(duì)照設(shè)計(jì)階段對(duì)動(dòng)力總成的剛體模態(tài)試驗(yàn)、彈性模態(tài)試驗(yàn)、對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及各個(gè)目標(biāo)值[5]。經(jīng)振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析，鎖定了影響較大的幾個(gè)關(guān)鍵因素為： 發(fā)動(dòng)機(jī)（激勵(lì)源），發(fā)動(dòng)機(jī)懸置（傳遞路徑），儀表板支架（傳遞路徑），方向盤（車內(nèi)響應(yīng)）。主要測(cè)試結(jié)果如下：

（1）由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

“K”車型發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率35Hz，與其方向盤模態(tài)頻率36.5Hz接近，遠(yuǎn)低于建議目標(biāo)45Hz，同時(shí)也遠(yuǎn)低于對(duì)標(biāo)車“A”的模態(tài)頻率54.6Hz；（表２）

（2）由發(fā)動(dòng)機(jī)懸置振動(dòng)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

“K”車型在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的振動(dòng)較大，整體激勵(lì)是原燃油車型的3.8倍，是對(duì)標(biāo)車“A”的2.5倍。（表３）

3 解決方案

針對(duì)以上測(cè)試分析結(jié)果，分別制定改進(jìn)方案、評(píng)估制定改進(jìn)計(jì)劃：

（1）降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速充電轉(zhuǎn)速及扭矩、降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作振動(dòng)，從根本上提升NVH表現(xiàn)。

混動(dòng)車型怠速充電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩均大于傳統(tǒng)燃油車，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)更強(qiáng)烈。在保證充電功率的前提下，應(yīng)盡可能的減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩，提升NVH表現(xiàn)。

“K”車型原怠速充電工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩分為1200rmp@40Nm，該工況對(duì)應(yīng)P1電機(jī)充電功率為5Kw。經(jīng)小組調(diào)用車載大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，怠速充電工況下，絕大部分用戶使用用電器為網(wǎng)聯(lián)車機(jī)、空調(diào)，實(shí)際3KW充電功率已滿足用戶用車需求。因此決定優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速及扭矩至1050rpm@30Nm。

（2）減少車身向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入能量 – 傳遞路徑增加隔振處理

控制振動(dòng)傳遞是提升NVH表現(xiàn)的另一有效途徑。金屬?gòu)椈珊拖鹉z彈簧，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車以及車載儀器設(shè)備等常規(guī)隔振領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7]。經(jīng)過CAE仿真分析，CCB支架與中間通道連接點(diǎn)增加隔振，可以有效地較少振動(dòng)傳遞。

根據(jù)車身與座艙布局、零件構(gòu)造等分析，初步制定了3種隔振方案：L形隔振、硫化隔振、U形隔振。經(jīng)隔振塊零件改制與裝車后測(cè)評(píng)，L形隔振方案對(duì)方向盤振動(dòng)問題改善效果最為明顯，最終決議在“K”車型上使用L型隔振方案。

方向盤振動(dòng)——3種隔振實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)：（表4）

實(shí)車主觀評(píng)價(jià)：（表5）

L型支架數(shù)模圖：

L型支架樣件：

L型隔振方案造車驗(yàn)證、測(cè)試結(jié)果表明，裝配L型隔振的樣車振動(dòng)均大幅降低：

樣車1：方向盤原始：0.86m/s^2，隔振后0.52m/s^2

樣車2：方向盤原始：1.17m/s^2，隔振后0.65m/s^2

樣車3：方向盤原始：1.02m/s^2，隔振后0.55m/s^2

（3）零部件模態(tài)接近激勵(lì)源頻率，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生共振，因發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率為35Hz，需要提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)至45Hz以上，避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率相接近[6]。

通過對(duì)比“K”車型與“A”車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配方式發(fā)現(xiàn)，對(duì)標(biāo)車“A”車型有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。但受限于現(xiàn)有車型總布置及車身設(shè)計(jì)構(gòu)架等因素，同時(shí)綜合考慮新品項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間及更改成本，相關(guān)改進(jìn)項(xiàng)可作為后續(xù)新品迭代優(yōu)化方向進(jìn)行研究。

● 儀表板支架直接搭接至側(cè)圍、采用螺栓連接，穩(wěn)定性較強(qiáng)；

● 轉(zhuǎn)向管柱與制動(dòng)踏板支架相連，強(qiáng)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)；

● 中通道與儀表板支架橫梁間的加強(qiáng)梁采用圓柱架構(gòu)，優(yōu)于片體鈑金結(jié)構(gòu)；

● 加強(qiáng)梁與儀表板支架及中通道連接點(diǎn)，采用三角盒狀支撐，穩(wěn)定性優(yōu)于鈑金搭接；

● 轉(zhuǎn)向管柱與制動(dòng)踏板支架相連，強(qiáng)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)；

● EPS電機(jī)安裝于副車架上而不是轉(zhuǎn)向管柱上，可極大提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)；

（4）控制動(dòng)力總成本體振動(dòng)源至對(duì)標(biāo)車水平

此方案需進(jìn)一步測(cè)試分析發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況，優(yōu)化模態(tài)，可能涉及缸體、缸蓋、曲軸等各部件的修模，同時(shí)會(huì)對(duì)動(dòng)力標(biāo)定有一定影響，因此可作為長(zhǎng)期措施持續(xù)研究?jī)?yōu)化。

4 問題解決

“K”車型經(jīng)實(shí)施方案（1）降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速充電轉(zhuǎn)速及扭矩、與方案（2）增加L型支架隔振后，怠速工況方向盤振動(dòng)已優(yōu)于目標(biāo)要求，方案有效。經(jīng)組織用戶體驗(yàn)，用戶對(duì)改進(jìn)后整車方向盤抖動(dòng)狀態(tài)無抱怨，問題得到有效解決。（表6）

5 結(jié)束語

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車有效解決了傳統(tǒng)汽車高能耗、高排放的問題，是未來汽車工業(yè)相對(duì)一段時(shí)間發(fā)展的方向[8]。本文通過研究燃油車型改混動(dòng)車型導(dǎo)致的怠速方向盤抖動(dòng)加劇問題，分析制定改進(jìn)方案，開展測(cè)試驗(yàn)證，最終推動(dòng)問題解決，提升了整車NVH品質(zhì)及用戶體驗(yàn)。

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