混動汽車并聯模式敲擊異響分析及優化

關鍵詞：混動汽車；混動專用變速箱；并聯模式；敲擊異響；仿真分析；策略優化

0 引言

新能源汽車包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等，是全球汽車產業轉型升級、綠色發展的主要方向。其中，混合動力汽車集成了發動機和電動機，與傳統燃油車相比，在燃油經濟性和環保方面具有優勢；與純電動車相比，在續駛里程方面具有優勢，近年來產銷量持續攀升。混合動力汽車存在多個動力源和多種工作模式，這使其NVH問題復雜多樣。由于發動機輸出的轉速波動和混動專用變速箱（Dedicated Hybrid Transmission， DHT）齒輪間隙不可避免，特定工況下會產生齒輪敲擊問題[1]，嚴重影響車輛的乘坐舒適性。

國內外專家和學者對齒輪敲擊問題做了大量研究。吳虎威等[2]利用試驗裝置研究了手動變速箱齒輪敲擊現象，提出通過扭轉減振器參數調校抑制齒輪敲擊強度的方法。王晨等[3]對功率分流式混動變速箱齒輪敲擊問題進行研究，提出通過優化兩個電動機轉矩協同機制，避免變速箱運行在敲擊出現的區域，且通過仿真評估了該策略的優化效果。鄧慶斌等[4]從發生機制、數學模型求解方法和解決途徑等方面對齒輪敲擊問題進行研究，發現齒輪敲擊主要由發動機激勵引起，降低離合剛度或提高變速器輸入軸轉動慣量對敲擊噪聲的改善有積極作用。白云輝等[5]研究了某款P0+P3+DCT 構架的混動總成敲擊異響問題，采用仿真和試驗相結合的方式，查明是由于雙質量飛輪隔振性能低和電驅端齒軸慣量大造成的該敲擊問題，提出了優化減振器剛度、敲擊齒輪慣性轉矩和驅動電動機控制策略的綜合解決方案。謝凌然[6]研究混動變速器在怠速不充電工況的離合器花鍵敲擊問題，最終通過加裝一種碟簧阻尼機構，較好地解決了該敲擊問題。KUMAR等[7]通過一維仿真手段研究了變速器齒輪敲擊問題，分析了飛輪慣量、離合器剛度、阻尼和齒輪側隙對敲擊的影響，認為提高飛輪慣量對抑制敲擊有利，但對發動機啟動性能不利，需要綜合考慮。以上研究從試驗和仿真方面對齒輪敲擊現象進行分析，為解決敲擊問題奠定了基礎，但主要集中在傳統的動力或混動總成，鮮有對國內最新的混動總成的研究。

本文以某款P1+P3構架混動總成為對象，通過試驗與仿真結合的手段，研究其在并聯模式的敲擊異響問題。首先，對敲擊產生原因進行分析；其次，建立一維仿真模型，并利用測試結果驗證模型有效性，在此基礎上進行參數影響規律分析，明確靈敏度高的因素；再次，結合工程上的可實施性選定優化方向；最后，通過仿真和實車驗證說明整改方案的效果。

1 齒輪敲擊噪聲測試及分析

某款P1+P3構架的混動總成動力傳動系統由發動機傳動鏈（1. 5T發動機、雙質量飛輪、離合器、減速器、差速器）、驅動電動機傳動鏈（P3電動機、減速器、差速器）、發電機（P1發電機）軸系和兩個油泵軸系構成，如圖1所示。

針對小油門并聯模式存在的“嘩啦聲”異響問題進行了整車測試。部分測點布置如圖2所示，包括主駕內耳噪聲、DHT殼體振動、初級飛輪轉速、主減從動輪轉速，且通過控制器局域網絡（ControllerArea Network， CAN）同步采集了電機轉矩和車速等信息。

測試工況為：大油門加速進入并聯模式后，緩慢降速至車輛可以保持不退出并聯模式的最低車速，然后小油門加速。測試結果如圖3所示。

由圖3可知，主駕內耳噪聲頻譜在35～54 s存在明顯的寬頻特征，說明在此時間段內出現異響問題，與主觀感受基本一致。與主駕內耳噪聲相比，殼體振動信號變化特征更明顯，可以清晰地看出敲擊發生的時刻。因此，后續將殼體振動作為異響判斷的信號。分析轉速與轉矩信號可知，該異響屬于齒輪敲擊問題；由于電動機輸出轉矩較小，其傳動系統齒輪相當于空套齒輪，在發動機側傳遞過來的扭振激勵下產生敲擊問題。進一步觀察加速的起始階段（淺藍色覆蓋的區域），沒有出現敲擊特征，此時雖然發動機側扭振已有相當的幅值，但驅動電動機轉矩仍在變化中，在驅動電動機轉矩趨于穩定后，敲擊才出現，說明驅動電動機轉矩對敲擊有重要影響；而發電機轉矩基本維持不變，說明其對敲擊影響小。

2 并聯模式敲擊仿真分析

2. 1 建模及校驗

使用AMESim軟件建立包含發動機、DHT、車輪和車身等部件的模型，除考慮齒輪側隙外，還考慮了電機與齒輪系統連接的花鍵間隙，如圖4所示。

激勵方面主要考慮發動機和電機。其中，發動機的氣體力矩采用加載實測缸壓曲線的方式進行模擬，往復慣性力矩通過曲柄連桿模塊進行模擬，電機激勵則直接使用實測數據。轉動慣量參數利用三維CAD數模獲取，扭轉剛度參數通過有限元軟件計算得到，間隙參數則根據設計圖紙取中間值，阻尼參數較難獲取，主要根據經驗進行設置。

通過仿真與測試結果的對比，校驗模型的精度，如圖5所示。由圖5可知，初級飛輪轉速仿真與測試結果一致性較好，仿真曲線變化比較平緩。但由于仿真中沒有考慮發動機循環變動和氣缸間的差異等因素，從而存在一定誤差。主減從動輪轉速仿真與測試結果變化趨勢和幅值水平基本一致，而存在的誤差主要是因為齒輪間隙和電機激勵幅值等因素。仿真中的齒輪間隙值為設計值的中間值，而實際樣件中的間隙狀態較為分散；電機激勵下使用CAN獲得的轉矩與電機實際轉矩在波動幅值上存在差異。綜合以上分析可知，仿真與試驗雖存在一定差異，但變化趨勢基本一致，能夠反映動力傳動系統的運動狀態，可以用于定性分析敲擊問題。

2. 2 影響因素分析

依據該敲擊問題的表現和混動總成結構，結合以往研究經驗[8-10]，圖6為總結的可能影響因素魚骨圖。包括發動機與電動機之間的動力匹配策略、發動機的扭振激勵、雙質量飛輪的隔振性能、混動變速箱的傳動特性、電機與齒輪系統的連接花鍵以及電機的輸出特性等因素。

式中，I、C、K、θ 分別為主動輪的慣量、阻尼、剛度、轉角；Minput、Mload、Mcontact分別為主動輪的輸入轉矩、負載轉矩和敲擊力矩。Mcontact為空套齒輪與主動輪敲擊產生的力矩。受齒輪間隙和時變嚙合剛度的影響，敲擊力矩幅值會在一定范圍內產生變動。

由式（1）可知，主動輪響應可以反映齒輪的敲擊狀態。基于此特性，在仿真中將輸入軸角加速度作為評價敲擊強度的指標。為了便于對比分析，對輸入軸角加速度先平方后進行時域平均，然后進行算術平均處理，從而形成敲擊指標，記為r。計算方法為

式中，Ai（t）為輸入軸角加速度的平方；ΔT 為采樣時間間隔；N 為數據點總數。

參數影響規律分析結果如圖8所示。沒有明確變化規律的參數有曲軸慣量、扭轉減振器（TorsionalVibration Damper， TVD）剛度、雙質量飛輪（Dual-Mass Flywheel， DMF）剛度、P1轉子慣量和P3轉矩波動；敲擊強度隨參數變大而變小的參數有并聯車速、P3轉矩、次級飛輪慣量和齒輪慣量；敲擊強度隨參數變大而變大的參數有TVD慣量、DMF阻尼、齒輪側隙、齒輪嚙合剛度、花鍵間隙和P3轉子慣量。

對有明確影響規律的參數進行靈敏度排序，作為后續優化敲擊問題的基礎，結果如圖9所示。其中，DMF部分僅考慮了次級飛輪慣量。對敲擊較為靈敏的參數有P3電動機轉矩幅值、進入并聯模式的車速、齒輪側隙和DMF的次級飛輪慣量。

3 優化及驗證分析

理論上，根據參數靈敏度分析結果，直接選擇影響大的參數進行調整，即可獲取較好的優化效果。但工程上要考慮成本及其對燃油經濟性、動力性等性能的影響。由于控制齒輪間隙在工程上實施難度較大，因此，本次優化不考慮齒輪間隙，主要針對P3電動機轉矩、并聯車速和次級飛輪慣量。

3. 1 優化方案設計

基于靈敏度分析結論，同時參考同類車型的方案，提出的方案1是將P3電動機轉矩幅值絕對值設置為30 N?m；方案2是將進入并聯的車速從60 km/h（52退）提升為70 km/h（65退）；方案3是將次級飛輪慣量從0. 007 kg?m2提升為0. 015 kg?m2。各方案效果預測結果如圖10所示，可以看出，3個方案均有明顯改善效果。其中，優化P3電動機轉矩幅值效果最為明顯，優化后敲擊指標降低59. 8%；并聯車速提升優化效果也比較明顯，敲擊指標降低54. 5%；提升次級飛輪慣量后，敲擊指標降低了47. 7%。

3. 2 優化效果驗證

方案1、方案2屬于控制策略類優化，工程上比較容易實施；方案3需要制作專門的樣件，模具樣件成本高、周期長。因此，選擇制作手工樣件，即在次級飛輪上通過螺栓加裝慣量盤。實車驗證結果如圖11所示，各優化方案均使殼體振動明顯降低。原狀態殼體振動最大值為±15g（g為重力加速度，g=9. 81 m/s2），優化P3電動機轉矩后，殼體振動最大值降為±5g；優化并聯車速后，殼體振動最大值降為±6g；優化次級飛輪慣量后，殼體振動最大值降為±8g；敲擊均得到有效抑制。主觀上（10分制），方案1為7分，方案2為7分，方案3為6. 5分。主客觀是一致的，與仿真預測結果也基本一致，進一步說明提出的敲擊指標是有效的。雖然優化方案對敲擊抑制效果明顯，但對其他性能的影響需綜合評估。提高P3電動機轉矩，會加大發動機的負荷，增加發動機噪聲和油耗；提高并聯車速，會使發動機參與驅動的工況減小，影響動力性和油耗；提高次級飛輪慣量，會對離合器接合特性帶來不利影響。

4 結語

1） 通過測試分析，確認P1+P3構架的混動總成異響為齒輪敲擊問題；產生機制為小油門并聯工況下，電動機輸出轉矩較小，其傳動系統齒輪相當于空套齒輪，在發動機側傳遞過來的扭振激勵下產生了敲擊問題。

2） 靈敏度分析結果表明，對敲擊較為靈敏的參數為P3電動機轉矩幅值、進入并聯模式的車速、齒輪側隙和DMF的次級飛輪慣量。考慮工程上的可實施性，最終選定優化并聯車速、驅動電動機轉矩和次級飛輪慣量。仿真和實車驗證結果均表明，優化后齒輪敲擊噪聲明顯降低。雖然優化方案對敲擊抑制效果明顯，但需要考慮對其他性能的影響，綜合決策選擇優化方案。

3） 提出將DHT輸入軸角加速度作為敲擊強度的仿真評價指標，且對其二次處理，形成了便于對比分析的敲擊指標。優化方案預測結果與實車驗證結果一致，說明所提指標有效。為仿真評價敲擊強度提供了一種新的思路。