針對(duì)啟動(dòng)抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響整車NVH性能的問(wèn)題，研究了某SUV混動(dòng)車型啟動(dòng)工況下的整車抖動(dòng)問(wèn)題，確定了啟動(dòng)抖動(dòng)產(chǎn)生的根本原因。通過(guò)制定一系列的試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合LMS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，明確導(dǎo)致整車啟動(dòng)抖動(dòng)的根本原因是啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中扭矩波動(dòng)導(dǎo)致。

本文從啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行逐步分析，對(duì)可能引起啟動(dòng)抖動(dòng)的原因進(jìn)行深層次的分析，同時(shí)采用不同的試驗(yàn)方案進(jìn)行排查，最后針對(duì)啟動(dòng)抖動(dòng)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(dòng)總成結(jié)構(gòu)及啟動(dòng)振動(dòng)現(xiàn)象

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

圖2 動(dòng)力合成箱原理

由圖2的動(dòng)力合成箱原理可知，該系統(tǒng)通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率分流，發(fā)動(dòng)機(jī)功率一部分通過(guò)機(jī)械路徑傳遞輸出，另一部分通過(guò)電功率路徑傳遞到電動(dòng)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(shí)可避免多種模式切換帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩中斷。

對(duì)PHEV車型的樣車進(jìn)行NVH性能實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，車輛啟動(dòng)(發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火)時(shí)和行車過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)整車抖動(dòng)嚴(yán)重，啟動(dòng)過(guò)程伴隨“哐哐”聲。抖動(dòng)過(guò)程中有2次以上的抖動(dòng)沖擊，且抖動(dòng)衰減時(shí)間長(zhǎng)，收斂速度慢，主觀感受極差。啟動(dòng)工況時(shí)，座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，頻譜分析結(jié)果如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明：?jiǎn)?dòng)過(guò)程中座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)峰值為0.09g，遠(yuǎn)大于目標(biāo)值0.05g，振動(dòng)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(duì)該頻率段的振動(dòng)較敏感，而在這個(gè)頻率段內(nèi)集中著動(dòng)力總成的多個(gè)剛體模態(tài)，懸架系統(tǒng)模態(tài)、整車剛體模態(tài)等多個(gè)模態(tài)，這些系統(tǒng)都無(wú)法避開該頻率區(qū)域，因此應(yīng)通過(guò)找到激勵(lì)源并減少激勵(lì)或者通過(guò)優(yōu)化懸置傳遞等途徑來(lái)解決此問(wèn)題。

圖3 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖4 振動(dòng)測(cè)試頻譜圖結(jié)果

2 啟動(dòng)過(guò)程控制邏輯

傳統(tǒng)自動(dòng)擋燃油車由于有離合器和液力變矩器，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)斷開，故啟動(dòng)時(shí)負(fù)載相對(duì)較小。該型混動(dòng)車輛在啟動(dòng)和熄火時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)處于連接狀態(tài)，負(fù)載相對(duì)較大，其啟動(dòng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)和控制邏輯會(huì)更加復(fù)雜。因此，對(duì)混合動(dòng)力的汽車來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停熄火過(guò)程所引起的NVH問(wèn)題更為復(fù)雜。

本款車型啟動(dòng)時(shí)，HCU接收到啟動(dòng)信號(hào)后發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)請(qǐng)求及啟動(dòng)模式信號(hào)給EMS。同時(shí)，HCU發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)到E2號(hào)電機(jī)，使其拖動(dòng)發(fā)動(dòng)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(qǐng)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(diǎn)火。在此過(guò)程中，EMS通過(guò)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器接收曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，判斷發(fā)動(dòng)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(diǎn)火成功標(biāo)志位；若沒有該信號(hào)，則表示點(diǎn)火失敗。點(diǎn)火控制邏輯過(guò)程如圖5所示。

圖5 啟動(dòng)控制邏輯

點(diǎn)火過(guò)程中，E2號(hào)電機(jī)扭矩不會(huì)中斷，并且E2號(hào)電機(jī)會(huì)一直通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸剛性連接。因此，采用該種啟動(dòng)方案的車型，其啟動(dòng)過(guò)程可分成2個(gè)主要階段。第1階段是E2號(hào)啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速過(guò)程，第2階段是發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速噴油點(diǎn)火過(guò)程。

3 啟動(dòng)抖動(dòng)的機(jī)理分析

根據(jù)對(duì)啟動(dòng)過(guò)程的分析結(jié)果可知，本文的啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象可能發(fā)生在拖動(dòng)階段，也可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火激勵(lì)大造成沖擊力大引起整車抖動(dòng)。在拖動(dòng)階段，啟動(dòng)頻率與動(dòng)力總成俯仰模態(tài)共振或者啟動(dòng)扭矩不足會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)抖動(dòng)，在點(diǎn)火啟動(dòng)瞬間沖擊大但懸置緩沖或者隔振不足也會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)抖動(dòng)。

由于啟動(dòng)抖動(dòng)過(guò)程屬于瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，難以通過(guò)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(yàn)方案對(duì)上述可能引起啟動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)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(dòng)發(fā)動(dòng)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(dòng)過(guò)程中電機(jī)的主要激勵(lì)頻率范圍為0～150 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率范圍0～30 Hz，該激勵(lì)可能激起動(dòng)力總成剛體模態(tài)和傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)。為驗(yàn)證拖動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力總成剛體模態(tài)或者傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)是否被激勵(lì)起來(lái)，制定如下試驗(yàn)，如表1所示。通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并無(wú)明顯改善效果，因此該種可能原因被排除。

表1 驗(yàn)證方案

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)

拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)的所有點(diǎn)火線圈，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法成功點(diǎn)火，并通過(guò)OBD接口讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)在座椅導(dǎo)軌布置振動(dòng)加速度傳感器拾取該處振動(dòng)信號(hào)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)時(shí)域?qū)Ρ确治霭l(fā)現(xiàn)，整車抖動(dòng)最大的時(shí)刻發(fā)生在電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中，且在相同時(shí)刻拖動(dòng)電機(jī)的扭矩發(fā)生明顯波動(dòng)。

由此可以看出：沖擊抖動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段無(wú)關(guān)；沖擊抖動(dòng)發(fā)生在拖動(dòng)階段。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸背壓

拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)的所有點(diǎn)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(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 振動(dòng)結(jié)果對(duì)比

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

3.4 啟動(dòng)電機(jī)力矩

在原狀態(tài)基礎(chǔ)上，僅將E2電機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

圖8 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖8可知：電機(jī)扭矩加大后，座椅導(dǎo)軌處抖動(dòng)峰值由原狀態(tài)的0.09g降低到0.049g，且通過(guò)主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊抖動(dòng)和“哐框”聲主觀感受有明顯改善，評(píng)價(jià)結(jié)果和客觀測(cè)試一致，說(shuō)明電機(jī)E2拖動(dòng)扭矩是影響啟動(dòng)沖擊的因素之一。

基于上述測(cè)試方案所得結(jié)果，可以進(jìn)一步得知：?jiǎn)?dòng)E2電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由靜止?fàn)顟B(tài)沖到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，節(jié)氣門始終關(guān)閉，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的被拖過(guò)程中倒拖扭矩波動(dòng)大。同時(shí)，E2電機(jī)的拖動(dòng)扭矩相較發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩較小，無(wú)法避免發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩的影響，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)力合成箱輸出扭矩波動(dòng)大，引起啟動(dòng)沖擊抖動(dòng)問(wèn)題。

4 啟動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題解決方案

4.1 提升啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)力矩

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

圖9 測(cè)試結(jié)果

4.2 調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度

電機(jī)E2拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)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(guò)測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該方案對(duì)啟停抖動(dòng)有明顯改善，說(shuō)明該優(yōu)化方案為有效方案。但該方案實(shí)施過(guò)程需第三方標(biāo)定介入，周期較長(zhǎng)。

綜合以上優(yōu)化方案，考慮動(dòng)力電池的峰值放電功率以及懸置耐久等多項(xiàng)指標(biāo)，制定最終的優(yōu)化方案：電機(jī)E2拖動(dòng)扭矩加大到190 N·m，與此同時(shí)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(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：連續(xù)10次啟動(dòng)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(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)產(chǎn)某混動(dòng)車型為研究對(duì)象進(jìn)行機(jī)理分析，并制定一系列試驗(yàn)方案尋找啟動(dòng)過(guò)程中的整車抖動(dòng)原因，最終確定整車抖動(dòng)的原因?yàn)殡姍C(jī)E2拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中扭矩波動(dòng)導(dǎo)致。通過(guò)“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(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題，驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的有效性。該啟動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題的排查方法和解決方法可為類似工程問(wèn)題提供借鑒。

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