某純電動(dòng)汽車(chē)減速器加速異響問(wèn)題分析與減速器優(yōu)化

張 軍，焦 明，岳中英，常玉朋，黃循奇

（吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司, 浙江 寧波315336）

與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，由于純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)缺少飛輪、離合器和撓性聯(lián)軸器等減振零部件，低轉(zhuǎn)速下扭矩輸出大，時(shí)間響應(yīng)快。所以，在急加速和減速工況，如起步、制動(dòng)、換擋等過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩傳遞發(fā)生瞬時(shí)突變?nèi)菀滓鹫?chē)沖擊噪聲和抖動(dòng)等問(wèn)題，嚴(yán)重降低駕乘舒適性。

劉必華等[1]建立了純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的線性集中質(zhì)量模型，進(jìn)行了固有特性和靈敏度的分析；Ravichandran等[2]通過(guò)仿真分析方法，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)關(guān)模式控制系統(tǒng)，分別在正常嚙合與側(cè)隙過(guò)渡工況進(jìn)行切換，以解決電動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)聳動(dòng)問(wèn)題；于蓬等[3]通過(guò)前/后饋主動(dòng)控制仿真，優(yōu)化懸置設(shè)計(jì)，改善集中驅(qū)動(dòng)式純電動(dòng)車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題；Jung 等[4]對(duì)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制策略進(jìn)行了研究，提出扭矩優(yōu)化控制策略，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的整車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題；陳煜等[5]發(fā)現(xiàn)差速器齒輪墊片摩擦性能問(wèn)題可能導(dǎo)致純電動(dòng)車(chē)行駛轉(zhuǎn)向過(guò)程中出現(xiàn)異響。但國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)車(chē)瞬態(tài)工況噪聲問(wèn)題的研究較少，還沒(méi)有形成系統(tǒng)性的工程指導(dǎo)方法。

本文系統(tǒng)性地闡述了某純電車(chē)加速撞擊異響問(wèn)題的分析解決過(guò)程，建立了基于電驅(qū)動(dòng)臺(tái)架異響試驗(yàn)與高效排查方法，基于齒輪嚙合間隙理論和整車(chē)扭矩控制機(jī)理，提出了具體的工程控制措施與方案，并通過(guò)電機(jī)扭矩過(guò)零策略的優(yōu)化，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性，對(duì)行業(yè)內(nèi)解決純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 整車(chē)加速異響問(wèn)題識(shí)別與測(cè)試分析

高度集成化是新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與方向，這符合整車(chē)輕量化與車(chē)型平臺(tái)化的開(kāi)發(fā)要求，可以提升動(dòng)力布置設(shè)計(jì)與空間利用率，還可以降低能耗與成本，除了高能效的要求之外，NVH 性能與駕駛舒適性也是關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

1.1 問(wèn)題描述

某純電動(dòng)轎車(chē)在以40 km/h車(chē)速直線行駛時(shí)，在輕踩油門(mén)踏板的加速過(guò)程中，前機(jī)艙內(nèi)存在明顯的撞擊異響聲。由于電動(dòng)汽車(chē)低速行駛時(shí)背景噪聲低，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽效應(yīng)，該異響容易讓駕乘人員產(chǎn)生不安全感，駕駛品質(zhì)嚴(yán)重減低，容易引起市場(chǎng)用戶(hù)的抱怨。通常，這種整車(chē)瞬態(tài)沖擊異響產(chǎn)生原因較多，異響機(jī)理較復(fù)雜，其影響因素也較多，而電驅(qū)系統(tǒng)的高度集成化也增大了此類(lèi)異響排查與解決的難度。

該車(chē)搭載了前置前驅(qū)的集成式電驅(qū)動(dòng)總成，電機(jī)為永磁同步無(wú)刷電機(jī)，單檔減速器、逆變器和電機(jī)采用的是整體集成的結(jié)構(gòu)形式。減速器采用的是高速軸承和兩組平行軸式斜齒輪副，增加了嚙合重合度，以降低嘯叫噪聲。其中，電機(jī)輸出軸與減速器采用花鍵連接方式，整體的電驅(qū)傳動(dòng)路徑表現(xiàn)出“硬連接”特征，缺少使扭矩或轉(zhuǎn)速波動(dòng)衰減的零部件。與多檔減速器方案相比，單檔減速器的工作轉(zhuǎn)速更高，對(duì)齒輪傳動(dòng)的散熱與潤(rùn)滑要求也更高。

1.2 整車(chē)異響噪聲測(cè)試分析與診斷

經(jīng)主觀評(píng)價(jià)，可以大致判斷出此加速異響源在前機(jī)艙內(nèi)，但是具體異響發(fā)生位置很難通過(guò)主觀識(shí)別判斷。因此，為了分析排查此噪聲特征與診斷潛在的聲源位置，分別在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)、懸置主、被動(dòng)側(cè)、電機(jī)側(cè)端蓋、減速器側(cè)端蓋位置以及差速器兩側(cè)等分別布置了大量的振動(dòng)加速度傳感器，并通過(guò)CAN 總線同步采集電驅(qū)動(dòng)總成的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號(hào)，如圖1 所示。測(cè)試過(guò)程為使車(chē)輛在平直光滑路面上緩慢加速到30 km/h左右之后松開(kāi)油門(mén)滑行，再輕踩油門(mén)提速到初始車(chē)速，反復(fù)進(jìn)行多次測(cè)試，采集電驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的撞擊數(shù)據(jù)。

圖1 整車(chē)測(cè)試時(shí)的傳感器布置

如圖2 所示，通過(guò)各位置振動(dòng)時(shí)域特征分析和音頻回放時(shí)主客觀對(duì)比辨識(shí)，發(fā)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)總成本體位置都具有振動(dòng)沖擊特征，并且在減速器中間軸端蓋處的瞬時(shí)沖擊最為明顯；而在電機(jī)側(cè)端蓋、差速器側(cè)和各懸置主動(dòng)側(cè)支架的振動(dòng)沖擊幅值相對(duì)較小，振動(dòng)音頻回放的撞擊聲也較小；除此之外，與驅(qū)動(dòng)半軸相連轉(zhuǎn)向節(jié)和各懸置被動(dòng)側(cè)都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)沖擊的現(xiàn)象。因此，可以初步排除了驅(qū)動(dòng)軸外球籠與輪轂軸承接合面的粘滑異響[6]，排除懸置的撞擊問(wèn)題，以及排除電機(jī)的軸向竄動(dòng)撞擊，推斷此異響可能發(fā)生在電驅(qū)動(dòng)總成減速器內(nèi)部的中間軸附近。

圖2 振動(dòng)加速度時(shí)域測(cè)試對(duì)比

截取圖2 的異響典型時(shí)域段進(jìn)行細(xì)化分析，根據(jù)如圖3 所示的電驅(qū)動(dòng)總成減速器側(cè)端蓋測(cè)試結(jié)果，在低速滑行后的急加速工況，CAN 通道的電機(jī)輸出扭矩從6 N/m 下降到0 之后快速地以特定斜率上升。在扭矩過(guò)零位置，電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，減速器側(cè)端蓋振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)瞬時(shí)沖擊的突變峰值。所以，此異響基本可以推測(cè)為急加速時(shí)，由于減速箱存在的傳動(dòng)間隙，電機(jī)輸出扭矩快速變化引起齒輪之間的單側(cè)撞擊所導(dǎo)致。

圖3 減速器端蓋振動(dòng)的整車(chē)測(cè)試

2 基于電驅(qū)臺(tái)架的異響測(cè)試排查

為了更準(zhǔn)確和快速地識(shí)別減速箱的異響問(wèn)題，在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成臺(tái)架上進(jìn)一步開(kāi)展排查工作。如圖4所示，采用同樣的整車(chē)懸置安裝方式，提取異響工況下的電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩波形作為臺(tái)架的激勵(lì)載荷進(jìn)行加載，先利用聲學(xué)照相機(jī)輔助識(shí)別異響源的位置，再同步測(cè)試電驅(qū)總成殼體上的振動(dòng)噪聲信號(hào)。如圖5 所示，在減速箱中間軸附近端蓋表面的中高頻聲輻射能量較大，這與整車(chē)振動(dòng)測(cè)試時(shí)對(duì)異響位置的推論相符合。

圖4 電驅(qū)動(dòng)總成的臺(tái)架測(cè)試

圖5 基于聲學(xué)相機(jī)測(cè)試分析

根據(jù)如圖6 所示的臺(tái)架測(cè)試結(jié)果可知，減速箱端蓋振動(dòng)的信噪比較高，振動(dòng)通道的干擾噪聲幅值明顯小于整車(chē)的測(cè)試結(jié)果，而沖擊峰值特征接近于整車(chē)工況測(cè)試時(shí)的時(shí)域形態(tài)，并且沖擊特征的幅值更大，人耳能夠更清晰地主觀辨識(shí)出復(fù)現(xiàn)的撞擊異響，由于整車(chē)與臺(tái)架扭矩模型的差異，在異響發(fā)生時(shí)刻的轉(zhuǎn)速和扭矩略有偏差。

圖6 減速器端蓋振動(dòng)的臺(tái)架測(cè)試

因此，基于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架裝置，參照如圖7 所示的減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以快速進(jìn)行異響問(wèn)題的試驗(yàn)排查分析，主要排查工作的結(jié)論如下：

圖7 減速器傳動(dòng)示意圖

（1）分別在電機(jī)輸出軸與減速箱的連接花鍵處、差速器與驅(qū)動(dòng)半軸之間填充高強(qiáng)度的緊固膠，如圖8所示，換裝之后經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，撞擊異響現(xiàn)象都沒(méi)有變化；

圖8 花鍵間隙緊固膠試驗(yàn)

（2）拆除減速箱中間軸或者降低加載的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)（如圖9所示），都能夠消除異響；

圖9 轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)減速箱異響影響的臺(tái)架測(cè)試對(duì)比

（3）換裝減小二級(jí)齒輪副側(cè)隙試制樣件之后，主觀評(píng)價(jià)撞擊異響沒(méi)有明顯變化；

（4）對(duì)減小一級(jí)齒輪副側(cè)隙試制樣件進(jìn)行換裝試驗(yàn)，主觀評(píng)價(jià)撞擊異響有較明顯降低，客觀測(cè)試的沖擊峰值也有下降。因此，根據(jù)以上電驅(qū)動(dòng)總成臺(tái)架排查結(jié)果，可以推斷出急加速時(shí)撞擊異響產(chǎn)生位置很可能是在減速器的一級(jí)齒輪副。

但是，由于減小齒輪副側(cè)隙的方案對(duì)齒輪嚙合的潤(rùn)滑性能影響較大，需要進(jìn)行大量的減速器性能驗(yàn)證工作，成本高，時(shí)間長(zhǎng)。所以，需考慮能否通過(guò)扭矩與轉(zhuǎn)速標(biāo)定優(yōu)化快速解決該車(chē)型急加速工況下撞擊異響問(wèn)題。

3 減速器異響原因要素的分析

基于整車(chē)與臺(tái)架的異響測(cè)試分析結(jié)果，可初步得出此異響問(wèn)題不僅僅與傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，也與扭矩控制方法有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

對(duì)于減速器機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，由于考慮潤(rùn)滑、熱變形和磨損等因素對(duì)齒輪副動(dòng)力傳動(dòng)的影響，嚙合齒輪之間必須有一定的齒側(cè)間隙。在傳動(dòng)扭矩或負(fù)載發(fā)生突變情況下，齒側(cè)間隙過(guò)大可能引起齒輪嚙合的振動(dòng)沖擊及噪聲問(wèn)題，并影響整車(chē)驅(qū)動(dòng)扭矩傳遞的穩(wěn)定性。雖然齒側(cè)間隙越小，扭矩傳遞就越穩(wěn)定，但對(duì)齒輪制造加工與安裝精度的要求都急劇提高。對(duì)于新能源汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)減速器而言，由于其轉(zhuǎn)速高、速比大和擋位少等特點(diǎn)，必須保證較合理的齒輪側(cè)隙，保證在嚙合齒廓之間形成具有足夠厚度的潤(rùn)滑油膜，并補(bǔ)償制造與安裝誤差以及熱變形等對(duì)齒輪傳動(dòng)造成負(fù)面的影響。

3.1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因要素（齒側(cè)間隙）

考慮到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)存在時(shí)變嚙合剛度、傳遞誤差、阻尼和齒側(cè)間隙等非線性因素，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[7－8]。如圖10 和圖11 所示，為了分析電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪間隙在嚙合過(guò)程的作用，通常引入齒側(cè)非線性分段函數(shù)F(δi) 表示齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力，以研究不同嚙合接觸狀態(tài)下的齒輪動(dòng)態(tài)特性（見(jiàn)圖12）。

圖10 齒輪傳動(dòng)示意圖

圖11 齒輪間隙模型示意圖

圖12 齒輪撞擊的示意圖

式中：δi為嚙合齒輪的動(dòng)態(tài)間隙，xij表示齒輪副之間傳遞誤差，bi為單側(cè)齒輪間隙長(zhǎng)度，Ri和R0分別是主、從動(dòng)輪的基圓半徑，θi和θ0分別為主、從動(dòng)輪的角位移，KC為齒輪嚙合剛度。

3.2 標(biāo)定控制方面的原因要素（扭矩策略）

由于電驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的“硬連接”特點(diǎn)，其沒(méi)有傳統(tǒng)燃油車(chē)的離合器、柔性聯(lián)軸器或液力變矩器等傳動(dòng)減振零部件，并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成具有特有的調(diào)速與扭矩輸出特性，響應(yīng)快，換向快，扭矩變化率大。因此，在整車(chē)低速行駛時(shí)的急加速工況，容易出現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊噪聲振動(dòng)問(wèn)題。

從整車(chē)扭矩控制策略的標(biāo)定優(yōu)化方面，合理匹配加速踏板開(kāi)度、電機(jī)扭矩輸出幅值、扭矩上升速率等因素，結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)間隙現(xiàn)狀與動(dòng)力響應(yīng)性能的基本要求，可以在電機(jī)扭矩正、負(fù)切換過(guò)程中，精細(xì)標(biāo)定扭矩過(guò)零階段的“靠齒”過(guò)程，緩沖齒輪嚙合過(guò)程中的沖擊程度，從而改善或消除撞擊現(xiàn)象[4]。在舒適性模式下的加速工況下，扭矩標(biāo)定策略通常應(yīng)遵循動(dòng)力響應(yīng)及時(shí)和平順的原則，無(wú)沖擊抖動(dòng)問(wèn)題，主要的調(diào)整手段有減小加速踏板的濾波系數(shù)、增加扭矩過(guò)零的靠齒時(shí)間以及降低扭矩上升斜率等；而在非過(guò)零狀態(tài)，則需增加扭矩響應(yīng)速度，減小動(dòng)力遲滯感，如圖13所示。

圖13 電機(jī)扭矩過(guò)零策略的示意圖

除了對(duì)傳動(dòng)側(cè)隙和扭矩過(guò)零策略進(jìn)行優(yōu)化控制之外，根據(jù)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)理論，還可以采取提高減速箱機(jī)油黏度，增加齒輪拖曳力矩，適度增大主動(dòng)輪慣量，減小被動(dòng)輪慣量，調(diào)整齒輪軸的扭轉(zhuǎn)剛度，控制軸系的軸向竄動(dòng)量，避免支承軸承內(nèi)部撞擊等措施，改善電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器的瞬態(tài)沖擊現(xiàn)象。

4 實(shí)車(chē)標(biāo)定優(yōu)化與驗(yàn)證

根據(jù)以上的機(jī)理分析，考慮成本和后期整改的工程可行性，主要從電驅(qū)動(dòng)過(guò)零扭矩輸出的策略方面進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化。經(jīng)多次調(diào)整標(biāo)定參數(shù)與驗(yàn)證，在不顯著降低動(dòng)力響應(yīng)速度條件下，在低速行駛的急加速工況下，通過(guò)觸發(fā)過(guò)零控制邏輯，對(duì)油門(mén)踏板信號(hào)通道進(jìn)行拋物線函數(shù)濾波，適度增加靠齒時(shí)間，略微降低電機(jī)扭矩升高率，減緩扭矩過(guò)零對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，如圖14所示。

圖14 電驅(qū)動(dòng)總成扭矩過(guò)零策略的優(yōu)化對(duì)比

經(jīng)實(shí)車(chē)駕評(píng)與對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證，急加速工況下的動(dòng)力響應(yīng)略有降低，但還在可接受范圍之內(nèi)，主觀上幾乎感知不到撞擊異響，減速器端蓋的沖擊振動(dòng)特征也基本消失，如圖15所示。

圖15 標(biāo)定優(yōu)化前、后減速器端蓋振動(dòng)測(cè)試對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某純電動(dòng)車(chē)加速工況下撞擊異響問(wèn)題為研究對(duì)象，系統(tǒng)性地闡述了其減速器瞬態(tài)沖擊噪聲問(wèn)題的測(cè)試分析與排查過(guò)程，基于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架，高效地識(shí)別出異響位置；并且從齒輪傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和扭矩控制策略?xún)?yōu)化兩個(gè)方面，提出了具體的工程解決措施與方案。本文還通過(guò)電機(jī)扭矩過(guò)零標(biāo)定參數(shù)的優(yōu)化，解決了該純電動(dòng)車(chē)型的加速異響問(wèn)題，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，這對(duì)于解決類(lèi)似的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)振動(dòng)噪聲問(wèn)題具有較重要的工程參考價(jià)值。