混合動力總成NVH開發技術研究
2023年8月9日 15:40瀏覽：3084 收藏：3
來源：內燃機與配件
摘 要
：本文介紹了混合動力總成的發展現狀和應用前景，對混合動力總成結構和特點進行了分析，以當前主流的高效內燃機+雙電機混動變速箱Pl +P3布置方案為例，研究了混動專用高效發動機NVH開發控制策略、混動專用變速箱NVH開發控制策略、混動總成NVH開發、混動總成整車匹配NVH開發關注事項。通過對混合動力總成進行系統級和總成級的NVH設計和控制，對關鍵指標進行提前校核，有效的保障了混動總成的車機匹配表現，最終完成混合動力總成NVH性能的開發。
關鍵詞
：混動總成；高效內燃機；混動專用變速箱；NVH
2020年10月27日，工信部發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2. 0》，明確了傳統燃油車向混合動力發展的大目標，即 2025年混動車型在傳統乘用車中占比達到50%以上。國標《GB/T 19596-2004電動汽車術語》對于混合動力電動汽車是這樣定義的：至少能從下述兩類車載儲存的能量中獲得汽車動力的汽車。
— 可消耗的燃料；—可再充電能/能量儲存裝置。按照混合度劃分(混合度=電機額定功率/總功率)：微、輕混合型混合動力電動汽車，混合度10%以下；中度混合型混合動力電動汽車 10% —30% 重度混合(強混合)型混合動力電動汽車，混合度30%以上/電力系統可單獨驅動車輛。按混合方式分：串聯式混合動力電動汽車、并聯式混合動力電動汽車、混聯式混合動力電動汽車。按照外接充電能力劃分:外接充電型混合動力電動汽車,非外接充電型混合動力電動汽車。在純電和混動兩條技術路線中，新勢力堅定選擇純電或增程，傳統車企在保證傳統燃油動力的前提下，紛紛選擇能掛綠牌的“插電混動”，這其中自主品牌又成為主力軍。比亞迪的DMI、長城的檸檬混動、奇瑞的鮑鵬DHT、 長安的藍鯨IDD混動、廣汽的GMC混動、上汽的EDU混動、吉利GHS混動都在如火如荼的進行中。
從原理上，混動構型主要分為單電機構型和雙電機(發電機+驅動電機)構型;從開發角度，混動構型可按是否需要多檔自動變速箱進行決策。原理上，應優先選擇中低車速效率更高的雙電機路線;開發角度，若成本相同，應優先選擇簡易減速箱方案:可規避長期困擾自主品牌的自動變速箱標定和可靠性難題、以及受制于人的濕式離合器;且扭矩不受離合器約束、加速性能優異，電機傳動鏈簡單、傳動和能量回收效率高，城市工程串聯電驅動,平順性極佳。因此基于“結構和控制最簡化、成本最低、布置可行”原則，單檔+大功率P3電機的雙電機P1 +P3串并聯方案是當前主流選擇。
P1 +P3方案主要以專用混動發動機(DHE) +專用混動變速箱(DHT) +功率型鋰電池+混動控制系統組成，其中專用混動變速箱由耦合器、發電機、驅動電機、逆變器組成。制動能量回收、使發動機工作在最佳經濟區是混合動力的根本出發點，同時插電外充大功率鋰電池，將保證混動汽車有足夠的電量以更節能的EV模式在城市工況工作，進一步降低油耗。綜上，混動產品正成為主機廠的主流產品，對其進行技術研究已經迫在眉睫，本文以當前主流的P1 + P3方案，從專用混動發動機NVH控制、專用混動變速箱NVH控制、混合動力總成NVH控制、混合動力總成整車匹配NVH控制四個方面對混合動力總成的NVH開發進行研究。
發動機噪聲振動源復雜多樣，在不同工況和頻率段主導振動噪聲源不同，發動機噪聲從傳播路徑來分,可分為結構傳播噪聲和空氣傳播噪聲，對結構傳播噪聲又可劃分為燃燒噪聲和機械噪聲，空氣傳播噪聲主要包括：風扇噪聲、進排氣噪聲等。
與傳統內燃機相比，混動專用高效內燃機的主要特征在于高效率，常用的提高發動機效率措施在于:高壓縮比、 阿特金森循環或米勒循環、廢氣再循環技術、取消前端輪系等開源節流方式，目前主流混動專用高效發動機熱效率已高達43%。由于高效內燃機的高壓縮比設計 12% —15%、將來甚至高達20%）,對發動機的燃燒標定挑戰更大、爆震風險提高，發動機的激勵能量加大,整機振動和噪聲均有較大風險。燃料在氣缸內燃燒時，氣缸內壓力急劇上升而產生的動載荷和沖擊波的高頻振動，分別通過活塞、連桿、曲軸、 主軸承和氣缸蓋以及缸套側壁而傳到機體外表面，使發動機不同固有頻率的零件被激發而振動，從而輻射出強烈的燃燒噪聲。燃燒噪聲和燃燒壓力升高率關系密切。通過增加預噴、延遲噴油正時、改善燃油品質、適當減小供油提前角等措施可以合理降低缸內燃燒壓力升高率， 采用增壓技術、廢氣再循環技術提高燃燒室溫度、縮短滯燃期，改進燃燒室結構形狀和參數等措施可以有效降低燃燒噪聲。
配氣機構噪聲控制：選用優良的凸輪型線，保證平滑的加速曲線和良好的配氣機構動態特性;提高配氣機構剛度，減小部件的變形量，以減小振動和氣門不正常運動,避免氣門飛脫與落座反跳、氣門早關與彈簧并圈，提高各零件之間的摩擦面精度，減小氣門間隙;使摩擦面適度潤滑。齒輪傳動噪聲控制：選用合理的齒輪參數和結構;在強度許可條件下選用較小的模數,適當加大齒高齒數;提高齒輪加工的精度和光潔度;對齒輪進行修緣處理;加大齒輪座剛度，提高齒輪同軸度；臨近部件規避齒輪嚙合頻率。鏈傳動噪聲控制：采用漸開線不對稱齒型，使接觸法線傾斜、嚙合過程連續以降低多邊形效應程度；鏈齒兩側外加帶槽的橡膠環；鏈節間的拉伸力均小于1600N 張緊器柱塞工作時行程V2 5rnm 提升鏈輪系共面性，制造誤差控制在0.25。
曲軸扭振是發動機振動的主要激勵源，必須對曲軸扭振的扭振特性進行嚴格控制，才能保證發動機關鍵振動噪聲水平。其中，曲軸的轉速波動率必須低于0.15,曲軸平衡率必須大于等于80%,單階曲軸扭轉角小于0. 15,合成扭轉角低于0. 50通過提升曲軸的平衡率、提升曲軸自身剛度、匹配合適的減震器與飛輪可以有效控制曲軸扭振性能。曲軸平衡率控制：曲軸的靜平衡100%,曲軸在旋轉時的離心力合力為零，即質心位于旋轉軸上；曲軸的動平衡平衡率上80%，已實現靜平衡的曲軸旋轉質量不一定在同一個旋轉平面內，因此會產生慣性力矩，引起振動稱之為曲軸的動不平衡;往復慣性力與力矩平衡：直列多缸機的一級往復慣性力合力都是平衡的，二級往復慣性力合力及力矩視曲拐布置有所區別。提升曲軸自身剛度：適當增加曲軸重疊度，在滿足沖程和壓縮比設計的相關要求基礎上，可采用長連桿設計， 增大曲軸重疊度，提升曲軸剛度;選擇合適的材料;設計合適的圓角，避免應力集中。匹配合適的減震器和飛輪:柔性飛輪在傳遞發動機動力時能降低轉速波動率，使其輸出動力更平穩;使用雙質量飛輪，衰減飛輪端轉速波動;選擇合適的減震皮帶輪，吸收曲軸前端扭振能量，降低曲軸相對扭角。
與傳統變速箱相比，專用混動變速箱除了具有傳統變速箱的齒輪敲擊、齒輪嘯叫等經典問題外，最突出的問題在于電驅系統噪聲。電驅系統噪聲以高頻嘯叫為主，包括電磁噪聲、電控噪聲、電池噪聲。
電機的電磁噪聲主要表現為階次嘯叫噪聲，包括電機的主階次嘯叫、開關頻率的調制階次嘯叫等。電機的主階次嘯叫一般頻率較高，覆蓋的頻率范圍較寬，一般為o —10000多Hz。控制系統開關頻率的調制階次噪聲頻率也很高，因為調制原理,頻譜上以邊頻簇的特征分布在開關頻率的兩側。
電機機械噪聲主要由轉子和軸承振動引起，軸承是電機轉子和定子殼體的連接構件，軸承承受電機中各種力的激勵并傳遞激勵力，因而產生振動和噪聲。電機的電磁噪聲主要分為兩部分，一種是由電機控制器開關引起的高頻開關頻率噪聲，一種是電機氣隙磁場作用于定子的鐵芯， 產生了電磁力激勵，導致的振動噪聲。電磁力可以分為切向電磁力和徑向電磁力。切向電磁力產生扭矩驅動轉子旋轉,主要作用是維持交變磁場的建立。徑向磁感應強度大于切向磁感應強度，徑向電磁力不產生電磁力矩，徑向力大于切向力。徑向力波激勵定子結構，定子結構振動從而產生輻射噪聲，尤其徑向電磁力波的頻率與定子結構模態一致時,輻射噪聲非常明顯。
電機的NVH設計包括設計需求、拓撲設計、電磁設計、仿真分析、A樣機測試、整改優化、B樣機測試、整車匹配共八個階段。設計需求階段依據整車性能需求以及對標車性能參數等確定電機性能參數，對飆車NVH性能測試，確認整車級一總成級一電機本體一零部件級NVH性能指標。拓撲設計階段依據電機用途確認電機類型、轉子結構等拓撲結構的選擇，確定長徑比對電機周圍聲場的影響，整數槽、分數槽的選擇，考慮不同類型和不同結構電機的NVH特征。電磁設計階段，設計電機的幾何尺寸、極槽配合、繞組、材料選型等，考慮不同極槽配合、繞組繞法和層數等對電機NVH的影響、齒槽轉矩分析。仿真分析階段包括電磁力仿真分析、結構模態分析、多源激勵下的NVH響應分析等。
A樣機測試包括臺架NVH驗證測試、校驗仿真分析結果、結構模態測試、臺架噪聲源識別測試等。整改優化階段包括電磁方案優化分析、結構方案優化分析、平衡其他性能指標、確定最優可實施方案等。B樣機階段包括：臺架NVH驗證測試、校驗仿真優化分析結果、裝車NVH驗證測試、達成單體項目標等。整車匹配階段包括電驅動總成懸置系統解耦設計、基于統計能量分析法、吸隔聲試驗技術及臺架NVH試驗技術的電驅動總成聲學包和整車聲學包正向開發并達成整車項目目標。電機噪聲控制 1）轉子槽的設計，通過降低電磁力及轉矩脈動引起的電磁噪聲沿徑向分布的空間集中度，降低轉矩脈動幅值;2）合理的極數/槽數配合，避免轉矩波動及噪聲的選型的首要原則;3）降低磁負荷，如齒尖加厚等；4）合理的氣隙設計;5）限制導線位移:提升電機槽滿率，降低槽內導線空隙，限制導線位移;定子結構的控制;殼體的控制;車身傳遞路徑的控制。
電驅變速器的換擋噪聲控制：在含DCT的混合動力總成系統中，換擋過程分為同步器預掛擋和離合器切換兩個主要階段，在這兩個階段均有發生沖擊和噪聲的風險。在DCT變速器中，換擋過程在機一電一液一控系統的綜合作用下完成，換擋噪聲需要同時與換擋時間等其他性能進行平衡。
由于混動變速箱布置有雙電機和電機控制單元，一般混動變速箱較傳統同等動力配置變速箱重40kg以上，在同等排量發動機匹配下，混動動總模態頻率會顯著下降， 因此對新開發的動總需有效提高發動機缸體、油底殼強度并增加與變速箱結合面強度，提高動總彎扭模態。同時主機廠需具備混合動力總成臺架測試能力和優秀的混動控制匹配邏輯能力，使動總在動力性、經濟性與NVH性能方面保持平衡。與傳統燃油車相比，混動車輛NVH性能涉及更多的控制參數及匹配，調整控制策略已成為解決NVH問題的重要手段之一。通過矩陣式掃點，選取最優的發動機運行點,解決強制充電的噪聲振動大問題;通過電機扭矩調整,解決沖擊性NVH問題。
與傳統內燃機動力相比，混合動力總成整車匹配NVH開發，不僅需要傳統動總的聲學包設計能力、進排氣系統NVH設計能力、調校能力，還需具備更優秀的懸置匹配能力。與傳統內燃機懸置系統相比，混動內燃機懸置系統需適應頻繁啟停沖擊、適應多模式工況極限姿態控制，經典問題包括：點火沖擊、發動機抽動、怠速抖動、轟鳴/嘯叫等。懸置具體開發過程簡單分為9個開發內容，分別為：動力總成參數獲取、布置方案確定、模態策略確定、解耦分析、結構設計、結構CAE分析、樣件驗證、整車調教，其中布置、模態分析、剛度曲線設計、結構仿真及樣車調校階段尤為重要。
綜上，混合動力總成的NVH開發難度較傳統動力總成有明顯的提升，在國產品牌越來越得到國人認可，新能源汽車銷售份額突破25%的關鍵時期，各主機廠需要加強對混動NVH研發的投入程度，在歷史變革時期抓住機遇、迎接挑戰,為國產車的輝煌貢獻應有的力量。
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