某純電動汽車減速器加速異響問題分析與減速器優(yōu)化

張 軍，焦 明，岳中英，常玉朋，黃循奇

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司, 浙江 寧波315336）

與傳統(tǒng)燃油車相比，由于純電動汽車動力傳動系統(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，時間響應(yīng)快。所以，在急加速和減速工況，如起步、制動、換擋等過程中，傳動系統(tǒng)扭矩傳遞發(fā)生瞬時突變?nèi)菀滓鹫嚊_擊噪聲和抖動等問題，嚴重降低駕乘舒適性。

劉必華等[1]建立了純電動汽車傳動系統(tǒng)的線性集中質(zhì)量模型，進行了固有特性和靈敏度的分析；Ravichandran等[2]通過仿真分析方法，設(shè)計了一種開關(guān)模式控制系統(tǒng)，分別在正常嚙合與側(cè)隙過渡工況進行切換，以解決電動車的瞬時聳動問題；于蓬等[3]通過前/后饋主動控制仿真，優(yōu)化懸置設(shè)計，改善集中驅(qū)動式純電動車抖動問題；Jung 等[4]對汽車用永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動控制策略進行了研究，提出扭矩優(yōu)化控制策略，降低電機轉(zhuǎn)矩波動引起的整車抖動問題；陳煜等[5]發(fā)現(xiàn)差速器齒輪墊片摩擦性能問題可能導(dǎo)致純電動車行駛轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)異響。但國內(nèi)外對電動車瞬態(tài)工況噪聲問題的研究較少，還沒有形成系統(tǒng)性的工程指導(dǎo)方法。

本文系統(tǒng)性地闡述了某純電車加速撞擊異響問題的分析解決過程，建立了基于電驅(qū)動臺架異響試驗與高效排查方法，基于齒輪嚙合間隙理論和整車扭矩控制機理，提出了具體的工程控制措施與方案，并通過電機扭矩過零策略的優(yōu)化，通過實車試驗驗證了改進方案的有效性，對行業(yè)內(nèi)解決純電動汽車傳動系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下的振動噪聲問題，具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 整車加速異響問題識別與測試分析

高度集成化是新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與方向，這符合整車輕量化與車型平臺化的開發(fā)要求，可以提升動力布置設(shè)計與空間利用率，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 問題描述

某純電動轎車在以40 km/h車速直線行駛時，在輕踩油門踏板的加速過程中，前機艙內(nèi)存在明顯的撞擊異響聲。由于電動汽車低速行駛時背景噪聲低，沒有發(fā)動機噪聲的掩蔽效應(yīng)，該異響容易讓駕乘人員產(chǎn)生不安全感，駕駛品質(zhì)嚴重減低，容易引起市場用戶的抱怨。通常，這種整車瞬態(tài)沖擊異響產(chǎn)生原因較多，異響機理較復(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異響排查與解決的難度。

該車搭載了前置前驅(qū)的集成式電驅(qū)動總成，電機為永磁同步無刷電機，單檔減速器、逆變器和電機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，電機輸出軸與減速器采用花鍵連接方式，整體的電驅(qū)傳動路徑表現(xiàn)出“硬連接”特征，缺少使扭矩或轉(zhuǎn)速波動衰減的零部件。與多檔減速器方案相比，單檔減速器的工作轉(zhuǎn)速更高，對齒輪傳動的散熱與潤滑要求也更高。

1.2 整車異響噪聲測試分析與診斷

經(jīng)主觀評價，可以大致判斷出此加速異響源在前機艙內(nèi)，但是具體異響發(fā)生位置很難通過主觀識別判斷。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、被動側(cè)、電機側(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加速度傳感器，并通過CAN 總線同步采集電驅(qū)動總成的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號，如圖1 所示。測試過程為使車輛在平直光滑路面上緩慢加速到30 km/h左右之后松開油門滑行，再輕踩油門提速到初始車速，反復(fù)進行多次測試，采集電驅(qū)傳動系統(tǒng)的撞擊數(shù)據(jù)。

圖1 整車測試時的傳感器布置

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

圖2 振動加速度時域測試對比

截取圖2 的異響典型時域段進行細化分析，根據(jù)如圖3 所示的電驅(qū)動總成減速器側(cè)端蓋測試結(jié)果，在低速滑行后的急加速工況，CAN 通道的電機輸出扭矩從6 N/m 下降到0 之后快速地以特定斜率上升。在扭矩過零位置，電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，減速器側(cè)端蓋振動信號出現(xiàn)瞬時沖擊的突變峰值。所以，此異響基本可以推測為急加速時，由于減速箱存在的傳動間隙，電機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 減速器端蓋振動的整車測試

2 基于電驅(qū)臺架的異響測試排查

為了更準確和快速地識別減速箱的異響問題，在電驅(qū)動系統(tǒng)總成臺架上進一步開展排查工作。如圖4所示，采用同樣的整車懸置安裝方式，提取異響工況下的電機轉(zhuǎn)速和輸出扭矩波形作為臺架的激勵載荷進行加載，先利用聲學(xué)照相機輔助識別異響源的位置，再同步測試電驅(qū)總成殼體上的振動噪聲信號。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，這與整車振動測試時對異響位置的推論相符合。

圖4 電驅(qū)動總成的臺架測試

圖5 基于聲學(xué)相機測試分析

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

圖6 減速器端蓋振動的臺架測試

因此，基于電驅(qū)動系統(tǒng)的試驗臺架裝置，參照如圖7 所示的減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，可以快速進行異響問題的試驗排查分析，主要排查工作的結(jié)論如下：

圖7 減速器傳動示意圖

（1）分別在電機輸出軸與減速箱的連接花鍵處、差速器與驅(qū)動半軸之間填充高強度的緊固膠，如圖8所示，換裝之后經(jīng)臺架試驗驗證，撞擊異響現(xiàn)象都沒有變化；

圖8 花鍵間隙緊固膠試驗

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

圖9 轉(zhuǎn)速波動對減速箱異響影響的臺架測試對比

（3）換裝減小二級齒輪副側(cè)隙試制樣件之后，主觀評價撞擊異響沒有明顯變化；

（4）對減小一級齒輪副側(cè)隙試制樣件進行換裝試驗，主觀評價撞擊異響有較明顯降低，客觀測試的沖擊峰值也有下降。因此，根據(jù)以上電驅(qū)動總成臺架排查結(jié)果，可以推斷出急加速時撞擊異響產(chǎn)生位置很可能是在減速器的一級齒輪副。

但是，由于減小齒輪副側(cè)隙的方案對齒輪嚙合的潤滑性能影響較大，需要進行大量的減速器性能驗證工作，成本高，時間長。所以，需考慮能否通過扭矩與轉(zhuǎn)速標(biāo)定優(yōu)化快速解決該車型急加速工況下撞擊異響問題。

3 減速器異響原因要素的分析

基于整車與臺架的異響測試分析結(jié)果，可初步得出此異響問題不僅僅與傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)相關(guān)，也與扭矩控制方法有較強的關(guān)聯(lián)性。

對于減速器機械傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，由于考慮潤滑、熱變形和磨損等因素對齒輪副動力傳動的影響，嚙合齒輪之間必須有一定的齒側(cè)間隙。在傳動扭矩或負載發(fā)生突變情況下，齒側(cè)間隙過大可能引起齒輪嚙合的振動沖擊及噪聲問題，并影響整車驅(qū)動扭矩傳遞的穩(wěn)定性。雖然齒側(cè)間隙越小，扭矩傳遞就越穩(wěn)定，但對齒輪制造加工與安裝精度的要求都急劇提高。對于新能源汽車的電驅(qū)動減速器而言，由于其轉(zhuǎn)速高、速比大和擋位少等特點，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滑油膜，并補償制造與安裝誤差以及熱變形等對齒輪傳動造成負面的影響。

3.1 機械傳動結(jié)構(gòu)的原因要素（齒側(cè)間隙）

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

圖10 齒輪傳動示意圖

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)齒輪間隙長度，Ri和R0分別是主、從動輪的基圓半徑，θi和θ0分別為主、從動輪的角位移，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)動傳動系統(tǒng)的“硬連接”特點，其沒有傳統(tǒng)燃油車的離合器、柔性聯(lián)軸器或液力變矩器等傳動減振零部件，并且驅(qū)動電機總成具有特有的調(diào)速與扭矩輸出特性，響應(yīng)快，換向快，扭矩變化率大。因此，在整車低速行駛時的急加速工況，容易出現(xiàn)傳動系統(tǒng)的沖擊噪聲振動問題。

從整車扭矩控制策略的標(biāo)定優(yōu)化方面，合理匹配加速踏板開度、電機扭矩輸出幅值、扭矩上升速率等因素，結(jié)合傳動系統(tǒng)間隙現(xiàn)狀與動力響應(yīng)性能的基本要求，可以在電機扭矩正、負切換過程中，精細標(biāo)定扭矩過零階段的“靠齒”過程，緩沖齒輪嚙合過程中的沖擊程度，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)遵循動力響應(yīng)及時和平順的原則，無沖擊抖動問題，主要的調(diào)整手段有減小加速踏板的濾波系數(shù)、增加扭矩過零的靠齒時間以及降低扭矩上升斜率等；而在非過零狀態(tài)，則需增加扭矩響應(yīng)速度，減小動力遲滯感，如圖13所示。

圖13 電機扭矩過零策略的示意圖

除了對傳動側(cè)隙和扭矩過零策略進行優(yōu)化控制之外，根據(jù)齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)理論，還可以采取提高減速箱機油黏度，增加齒輪拖曳力矩，適度增大主動輪慣量，減小被動輪慣量，調(diào)整齒輪軸的扭轉(zhuǎn)剛度，控制軸系的軸向竄動量，避免支承軸承內(nèi)部撞擊等措施，改善電驅(qū)動系統(tǒng)減速器的瞬態(tài)沖擊現(xiàn)象。

4 實車標(biāo)定優(yōu)化與驗證

根據(jù)以上的機理分析，考慮成本和后期整改的工程可行性，主要從電驅(qū)動過零扭矩輸出的策略方面進行標(biāo)定優(yōu)化。經(jīng)多次調(diào)整標(biāo)定參數(shù)與驗證，在不顯著降低動力響應(yīng)速度條件下，在低速行駛的急加速工況下，通過觸發(fā)過零控制邏輯，對油門踏板信號通道進行拋物線函數(shù)濾波，適度增加靠齒時間，略微降低電機扭矩升高率，減緩扭矩過零對傳動系統(tǒng)的沖擊，如圖14所示。

圖14 電驅(qū)動總成扭矩過零策略的優(yōu)化對比

經(jīng)實車駕評與對比測試驗證，急加速工況下的動力響應(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、后減速器端蓋振動測試對比

5 結(jié)語

本文以某純電動車加速工況下撞擊異響問題為研究對象，系統(tǒng)性地闡述了其減速器瞬態(tài)沖擊噪聲問題的測試分析與排查過程，基于電驅(qū)動系統(tǒng)的試驗臺架，高效地識別出異響位置；并且從齒輪傳動機械結(jié)構(gòu)和扭矩控制策略優(yōu)化兩個方面，提出了具體的工程解決措施與方案。本文還通過電機扭矩過零標(biāo)定參數(shù)的優(yōu)化，解決了該純電動車型的加速異響問題，通過實車試驗驗證改進措施的有效性，這對于解決類似的電驅(qū)動系統(tǒng)瞬態(tài)振動噪聲問題具有較重要的工程參考價值。