某混動車型怠速充電時方向盤振動問題分析與對策研究

達偉偉　褚略超

摘 要：NVH性能在混合動力汽車開發(fā)過程應重點驗證與優(yōu)化。公司某混動車型在開發(fā)階段發(fā)現怠速充電時方向盤振動大問題。為解決此問題，從振動產生與傳遞的工作原理出發(fā)，分析并制定出可行的改進方案，同時結合項目開發(fā)時間與經濟成本要求，最終選定最優(yōu)方案、解決該問題，新產品NVH性能有效提升。

關鍵詞：混合動力汽車 方向盤 NVH

1 背景

面對全球能源危機及日趨嚴重的環(huán)境污染問題，新能源汽車逐漸興起，目前已快速成為汽車市場的主力軍。從能量轉化角度來講，新能源車又可以分為電動車、燃料電池車、混合動力車三類。

混合動力電動汽車通過內燃機工作效率的優(yōu)化，怠速停機和制動能量回收等措施實現混合驅動與混合制動，達到整車節(jié)能減排的目標；基于電驅動系統(tǒng)的高效率、制動能量回收和附屬系統(tǒng)的電動化等途徑，純電動汽車實現了整車的高效率運行；插電式混合動力通過車外充電與車載發(fā)電系統(tǒng)的結合，集聚了上述兩種車型的優(yōu)點，實現了城區(qū)短途的純電動運行與遠途的混合動力運行[1]。

混動汽車常見三種類型：外插電式混動、油電混聯式混動與增程式混動。三種混動汽車均存在發(fā)動機、動力電池、驅動電機等關鍵零件，不同的是外插電式混動汽車，可以通過DCDC將外部交流電儲存于動力電池中，在功率需求滿足的情況下，優(yōu)先使用電力進行驅動，常見的汽車有比亞迪秦plus。油電混聯式混動則是無法外部充電，因電池容量低、純電續(xù)航較短，因此通過發(fā)動機工作持續(xù)充電，部分工況發(fā)動機亦可直接驅動，常見車型本田奧德賽。最后一種增程式混動，則是在油電混聯式混動的基礎上，加大電池容量，并布置外充系統(tǒng)，但發(fā)動機工作僅用于動力電池充電，不參與直接驅動，常見車型理想one[2]。

混動汽車相對于傳統(tǒng)汽車，增加了動力電池、驅動電機、發(fā)電機等高壓系統(tǒng)，成本增加，對整車定價會有所提高，從而降低用戶購買欲望。除了整車成本、價格增加外，對于整車動力系統(tǒng)布置、零件可靠性及耐久驗證、關鍵零件三包服務、售后問題排查及配件換件返修等，對主機廠及服務站都增加了一定的難度。并且，國內充電服務基礎設施目前不夠完善，在一二線城市無法滿足大部分用戶便捷充電需求，在三四線城市則又無法普及。對比隨處可見的加油站以及3分鐘加滿油的傳統(tǒng)車，外插電式混動汽車、增程式汽車可外充的優(yōu)勢就捉襟見肘了。

本文論述的車型是混動汽車中的油電混聯式混合動力汽車，是在原有燃油車型基礎上增加電驅動系統(tǒng)，取消變速器及發(fā)電機。理論上，在用戶常用的起步、低速行駛的工況下通常為純電驅動行駛，NVH性能表現比傳統(tǒng)車更優(yōu)[3]。但油電并聯模式、發(fā)動機給電池充電工況也是經常出現的用戶實際用車場景，這個工況下，發(fā)動機噪聲與傳遞的振動水平接近傳統(tǒng)燃油車，從而預期的NVH表現受到了挑戰(zhàn)，噪聲（Noise）、振動（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）統(tǒng)稱汽車的NVH特性[4]，作為汽車關鍵性能指標之一。

混動汽車已成為時代發(fā)展趨勢，在整車動力性、經濟性及環(huán)保性均優(yōu)于傳統(tǒng)內燃機汽車，為了順應市場需求及減少燃油積分壓力，決定將K車型（本文使用“K”代替該車型名稱）傳統(tǒng)發(fā)動機汽車，通過動力總成變更及驗證，迭代量產為油電混動車型。經過工裝樣件造車，首批體驗車交付與用戶進行試乘試駕體驗，通過用戶體驗收集用戶主要關注問題，并集中資源在整車量產前進行問題解決。經過6個月用戶體驗及問題收集，發(fā)現用戶集中抱怨問題為：“原地怠速等紅綠燈或等人，發(fā)動機會啟動，這個時候手握在方向盤周圈上感覺振動明顯，有點麻手”。共計收到用戶抱怨反饋19例，已成為前列重點待解決問題。

2 原因分析

針對“K”車型用戶體驗評審發(fā)現的怠速等紅綠燈時方向盤振動大問題，評審人員開展了對標車主觀感知評審與對比，發(fā)現國內外6款混動車型在怠速充電時方向盤的振動均明顯強烈于燃油車怠速工況，且主觀評價K車型樣車處中下水平。為客觀評價方向盤振動程度，工程師使用三向加速度傳感器對相關樣車進行了振動數據測試；客觀數據與感知評價結論基本一致。（表１）

振動從哪里產生，又是如何傳遞到方向盤的？為診斷問題發(fā)生原因、及時解決此問題，工程師根據振動產生與傳遞的機理，開展了“K”車型從激勵源到振動傳遞路徑及車內響應的一系列零件的分析與測試，并對照設計階段對動力總成的剛體模態(tài)試驗、彈性模態(tài)試驗、對轉向系統(tǒng)模態(tài)試驗的數據及各個目標值[5]。經振動測試及數據分析，鎖定了影響較大的幾個關鍵因素為： 發(fā)動機（激勵源），發(fā)動機懸置（傳遞路徑），儀表板支架（傳遞路徑），方向盤（車內響應）。主要測試結果如下：

（1）由發(fā)動機激勵頻率及轉向系統(tǒng)模態(tài)頻率測試結果發(fā)現：

“K”車型發(fā)動機激勵頻率35Hz，與其方向盤模態(tài)頻率36.5Hz接近，遠低于建議目標45Hz，同時也遠低于對標車“A”的模態(tài)頻率54.6Hz；（表２）

（2）由發(fā)動機懸置振動測試結果發(fā)現：

“K”車型在發(fā)動機懸置的振動較大，整體激勵是原燃油車型的3.8倍，是對標車“A”的2.5倍。（表３）

3 解決方案

針對以上測試分析結果，分別制定改進方案、評估制定改進計劃：

（1）降低發(fā)動機怠速充電轉速及扭矩、降低發(fā)動機工作振動，從根本上提升NVH表現。

混動車型怠速充電發(fā)動機轉速及扭矩均大于傳統(tǒng)燃油車，導致發(fā)動機振動更強烈。在保證充電功率的前提下，應盡可能的減小發(fā)動機轉速及扭矩，提升NVH表現。

“K”車型原怠速充電工況下，發(fā)動機轉速與扭矩分為1200rmp@40Nm，該工況對應P1電機充電功率為5Kw。經小組調用車載大數據系統(tǒng)分析，怠速充電工況下，絕大部分用戶使用用電器為網聯車機、空調，實際3KW充電功率已滿足用戶用車需求。因此決定優(yōu)化標定數據，降低發(fā)動機怠速轉速及扭矩至1050rpm@30Nm。

（2）減少車身向轉向系統(tǒng)輸入能量 – 傳遞路徑增加隔振處理

控制振動傳遞是提升NVH表現的另一有效途徑。金屬彈簧和橡膠彈簧，由于其結構簡單、安裝方便、可靠性好等優(yōu)點，因此在汽車以及車載儀器設備等常規(guī)隔振領域應用廣泛[7]。經過CAE仿真分析，CCB支架與中間通道連接點增加隔振，可以有效地較少振動傳遞。

根據車身與座艙布局、零件構造等分析，初步制定了3種隔振方案：L形隔振、硫化隔振、U形隔振。經隔振塊零件改制與裝車后測評，L形隔振方案對方向盤振動問題改善效果最為明顯，最終決議在“K”車型上使用L型隔振方案。

方向盤振動——3種隔振實車測試數據：（表4）

實車主觀評價：（表5）

L型支架數模圖：

L型支架樣件：

L型隔振方案造車驗證、測試結果表明，裝配L型隔振的樣車振動均大幅降低：

樣車1：方向盤原始：0.86m/s^2，隔振后0.52m/s^2

樣車2：方向盤原始：1.17m/s^2，隔振后0.65m/s^2

樣車3：方向盤原始：1.02m/s^2，隔振后0.55m/s^2

（3）零部件模態(tài)接近激勵源頻率，系統(tǒng)會產生共振，因發(fā)動機激勵頻率為35Hz，需要提升轉向系統(tǒng)模態(tài)至45Hz以上，避免轉向系統(tǒng)模態(tài)頻率與發(fā)動機激勵頻率相接近[6]。

通過對比“K”車型與“A”車型的轉向系統(tǒng)裝配方式發(fā)現，對標車“A”車型有以下幾項優(yōu)點。但受限于現有車型總布置及車身設計構架等因素，同時綜合考慮新品項目開發(fā)時間及更改成本，相關改進項可作為后續(xù)新品迭代優(yōu)化方向進行研究。

● 儀表板支架直接搭接至側圍、采用螺栓連接，穩(wěn)定性較強；

● 轉向管柱與制動踏板支架相連，強化轉向系統(tǒng)模態(tài)；

● 中通道與儀表板支架橫梁間的加強梁采用圓柱架構，優(yōu)于片體鈑金結構；

● 加強梁與儀表板支架及中通道連接點，采用三角盒狀支撐，穩(wěn)定性優(yōu)于鈑金搭接；

● 轉向管柱與制動踏板支架相連，強化轉向系統(tǒng)模態(tài)；

● EPS電機安裝于副車架上而不是轉向管柱上，可極大提升轉向系統(tǒng)模態(tài)；

（4）控制動力總成本體振動源至對標車水平

此方案需進一步測試分析發(fā)動機振動情況，優(yōu)化模態(tài)，可能涉及缸體、缸蓋、曲軸等各部件的修模，同時會對動力標定有一定影響，因此可作為長期措施持續(xù)研究優(yōu)化。

4 問題解決

“K”車型經實施方案（1）降低發(fā)動機怠速充電轉速及扭矩、與方案（2）增加L型支架隔振后，怠速工況方向盤振動已優(yōu)于目標要求，方案有效。經組織用戶體驗，用戶對改進后整車方向盤抖動狀態(tài)無抱怨，問題得到有效解決。（表6）

5 結束語

混合動力電動汽車有效解決了傳統(tǒng)汽車高能耗、高排放的問題，是未來汽車工業(yè)相對一段時間發(fā)展的方向[8]。本文通過研究燃油車型改混動車型導致的怠速方向盤抖動加劇問題，分析制定改進方案，開展測試驗證，最終推動問題解決，提升了整車NVH品質及用戶體驗。

參考文獻：

[1]Rauh J，Ammon D．System dynamics of electrified vehicles：some facts，thoughts，and challenges[J]．Vehi Syst Dyna，201 1，49（7）：1005-1020．

[2]崔琎.淺述HEV、PHEV、MHEV幾類混動車型特點[J].汽車博覽.2021，（1）.

[3]朱可寧.混合動力汽車原理及發(fā)展趨勢研究[J].內燃機與配件.2020，（20）：47-48.

[4]何健，沈國華，王鐵剛.汽車NVH特性概述[J].客車技術與研究，2007，29（5）：15-17.