混合動(dòng)力汽車振動(dòng)噪聲特性和控制措施

摘要：當(dāng)前混合動(dòng)力汽車受到了國際汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注，然而一些學(xué)者對混合動(dòng)力汽車振動(dòng)噪聲的研究比較少。基于此，圍繞混合動(dòng)力汽車的噪聲振動(dòng)特性展開詳細(xì)分析，并探討其有效的控制措施，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車；噪聲；振動(dòng)特性；控制措施

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2023-05-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.006

1 前言

相較常規(guī)燃料汽車，混合動(dòng)力車輛的結(jié)構(gòu)、制動(dòng)策略有比較明顯的不同，驅(qū)動(dòng)源的變化將導(dǎo)致整個(gè)車輛的振動(dòng)噪聲發(fā)生改變。同時(shí)，混合動(dòng)力車輛在各種狀態(tài)下都不是完全依靠發(fā)電機(jī)工作的，按其工作方式可分為兩種，即純電動(dòng)工作模式、混動(dòng)工作模式。在純電動(dòng)工作模式中，由于不能對發(fā)電機(jī)噪音加以有效屏蔽，從而導(dǎo)致汽車附件、路噪問題更加突出，頻率高，被乘客感知的概率比較大；在混動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與熄火等多項(xiàng)過程的頻繁發(fā)生也會(huì)造成振動(dòng)沖擊問題［1］。對此，對混合動(dòng)力汽車噪聲、振動(dòng)加以控制有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 混合動(dòng)力汽車的構(gòu)成

混合動(dòng)力汽車是一種結(jié)合燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的汽車，由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電池組、控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。a.燃油發(fā)動(dòng)機(jī)?；旌蟿?dòng)力汽車仍然以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出的主要來源。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同，但在混合動(dòng)力汽車中，它通常會(huì)更小，更高效。b.電動(dòng)機(jī)?；旌蟿?dòng)力汽車還配備了電動(dòng)機(jī)，通常安裝在變速箱或輪轂處。電動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)輔助燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，提高汽車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。c.電池組?；旌蟿?dòng)力汽車配備了大容量的電池組，用于儲(chǔ)存電動(dòng)機(jī)所需的電能。這些電池通常安裝在汽車底部或后部。d.控制系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力汽車中配備復(fù)雜的控制系統(tǒng)，用于協(xié)調(diào)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間的能量轉(zhuǎn)移?？刂葡到y(tǒng)會(huì)根據(jù)駕駛員的需求和汽車的行駛狀態(tài)，自動(dòng)切換燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的使用方式，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放?？偟膩碚f，混合動(dòng)力汽車中各部件的協(xié)同作用使得混合動(dòng)力汽車具有更高效、更環(huán)保、更節(jié)能的優(yōu)勢。

相對于具有內(nèi)燃機(jī)的常規(guī)車輛而言，混合動(dòng)力汽車本身結(jié)構(gòu)、零件的變化體現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車身與底盤系統(tǒng)中。a.動(dòng)力系統(tǒng)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力車輛完全依靠發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力的供給，而混合動(dòng)力車輛的基本工作模式則是由電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，又或者由其獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。同時(shí)在混合動(dòng)力車輛中增加了蓄電池，作為一個(gè)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，為實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)能量予以最大程度的回收，混合動(dòng)力汽車中增加了發(fā)電機(jī)裝置，并在蓄電池中儲(chǔ)存了制動(dòng)能量所轉(zhuǎn)化成的電能。此外，混合動(dòng)力汽車通過對動(dòng)力耦合裝置的合理應(yīng)用，進(jìn)一步完成了功率合成和動(dòng)力分配，使傳動(dòng)裝置更加復(fù)雜。b.輔助系統(tǒng)。一般內(nèi)燃機(jī)車輛的輔助裝置必須利用引擎所提供的力量才能實(shí)現(xiàn)正常工作，主要包括水泵控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)裝置等，這種電子輔助控制系統(tǒng)在混合動(dòng)力車輛中由電力直接驅(qū)動(dòng)，所以必須通過各種電力壓縮機(jī)、壓力油泵等才能保證各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行正常工作。c.車身設(shè)計(jì)和底盤系統(tǒng)。由于動(dòng)力系統(tǒng)、輔助體系變化，在一定程度上導(dǎo)致混合動(dòng)力車輛的總體質(zhì)量、負(fù)荷分配、行駛動(dòng)力學(xué)特性等發(fā)生改變，為了更好地適應(yīng)所出現(xiàn)的變化，混合動(dòng)力汽車對自身的車身結(jié)構(gòu)、底盤系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

3 振動(dòng)噪聲特性與控制措施

3.1 純電模式附件噪聲

混合動(dòng)力汽車中的純電模式是指車輛僅依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不使用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的模式。在這種模式下，車輛的行駛速度較慢，行駛距離較短，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些附件噪聲［2］。附件噪聲主要來自電機(jī)、電子設(shè)備和泵等附件。其中，電機(jī)是純電模式下主要的噪聲源，電機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)，導(dǎo)致車輛發(fā)出嗡嗡聲或嘶嘶聲等噪聲。

3.2 電機(jī)噪聲控制

混合動(dòng)力汽車電機(jī)噪聲控制是指通過一系列技術(shù)手段，消除或降低混合動(dòng)力汽車電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲，以提高駕駛舒適性和安靜性。減小電機(jī)振動(dòng)具體的控制措施有以下幾種：a.通過優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)工作條件，減少電機(jī)振動(dòng)，降低機(jī)械噪聲和空氣噪聲，如采用減震器、加強(qiáng)電機(jī)定位等方法；b.通過磁場控制技術(shù)，優(yōu)化電機(jī)磁場分布，減少電磁噪聲，如采用無感控制技術(shù)、改善電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)等方法；c.改進(jìn)電機(jī)內(nèi)部機(jī)械部件的設(shè)計(jì)和制造工藝，減少機(jī)械噪聲，如采用低噪聲的軸承和齒輪、優(yōu)化電機(jī)內(nèi)部布局等方法。

噪聲振動(dòng)特性：混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停沖擊造成的噪聲、振動(dòng)主要是由以下原因造成的：a.發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)的機(jī)械沖擊。混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)在啟停時(shí)，由于燃油噴射、點(diǎn)火、氣門和活塞等部件的突然變化，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械沖擊。這種沖擊會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。b.發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)的燃油噴射聲。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)，燃油噴射會(huì)產(chǎn)生噪聲，尤其是在寒冷天氣或長時(shí)間停車后啟動(dòng)時(shí)，燃油噴射聲更加明顯。c.啟停系統(tǒng)的工作原理?；旌蟿?dòng)力汽車的啟停系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，這種控制會(huì)帶來一定的噪聲和振動(dòng)。d.發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)增加?；旌蟿?dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)比傳統(tǒng)汽車要多，這會(huì)增加車輛的噪聲和振動(dòng)［3］。

控制措施：使用基于加速度4次方的振動(dòng)計(jì)量評(píng)價(jià)方法（VDV）實(shí)施起停沖擊的度量。相對于其他評(píng)價(jià)方法而言，4次方振動(dòng)計(jì)量評(píng)價(jià)方法對于沖擊的峰值具有一定的敏感性，并對信號(hào)持續(xù)時(shí)間的影響進(jìn)行全面的考慮，比較適用于沖擊評(píng)價(jià)、度量，其計(jì)算公式為：

[VDV=01a4（t）dt1/4]

其中，VDV是振動(dòng)計(jì)量值，而a（t）為進(jìn)行加權(quán)計(jì)算的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)值，t為時(shí)間?；旌蟿?dòng)力汽車的運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是在懸置有預(yù)載力矩的狀態(tài)下產(chǎn)生的，換句話說就是懸置在有預(yù)載的狀態(tài)下接受發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的暫態(tài)力矩驅(qū)動(dòng)，所以懸置剛度曲線要根據(jù)這種狀態(tài)進(jìn)行確定。表1是指混合動(dòng)力汽車在原地靜止不動(dòng)時(shí)（也就好比傳統(tǒng)汽車處于怠速的工況中）與行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向盤、座椅的VDV值。通過分析表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，懸置剛度曲線在調(diào)整之后，轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)VDV值顯著降低，與乘客的主觀感受相同。

3.3 升壓電路系統(tǒng)

噪聲振動(dòng)特性：若要提高車輛的省油率和動(dòng)力，通常把升壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)加入汽車中；而升壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)則會(huì)顯著增加動(dòng)力電壓，用來改善汽車系統(tǒng)的輸出功率和效能［4］。在混合動(dòng)力車輛中的升壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般含有DC/DC升壓裝置和電容等組成部分。這些組件在工作過程中都會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，主要因素如下：a.電容器振動(dòng)。電容器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，特別是在高頻率下，這種震動(dòng)會(huì)傳遞到周圍的結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致噪聲和振動(dòng)。b.電子元件噪聲。升壓電路中的電子元件（如晶體管、二極管等）在工作過程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，這些噪聲會(huì)通過電路傳遞到周圍的結(jié)構(gòu)中。

控制措施：混合電動(dòng)汽車中的升壓電路系統(tǒng)是將電池電壓提高到電動(dòng)機(jī)所需電壓的關(guān)鍵部件之一，但其工作中也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲和振動(dòng)。為了控制升壓電路系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)，可以采取以下措施：a.優(yōu)化升壓電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化升壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件類型、布局等來減少電路噪聲和振動(dòng)的產(chǎn)生。b.選用低噪聲、低振動(dòng)的元器件。例如，采用低壓降的MOS管、低ESR的電解電容和低噪聲的電感器等元器件，可以有效降低電路系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)。c.采用隔離技術(shù)。在升壓電路中加入隔離電路，能夠有效隔離電路中的噪聲和干擾，減少噪聲和振動(dòng)的傳遞。d.加強(qiáng)降噪處理。在升壓電路系統(tǒng)上加裝噪聲濾波器、抑制器等降噪處理器件，能夠有效減少電路的噪聲和振動(dòng)。e.優(yōu)化系統(tǒng)控制策略。通過優(yōu)化升壓電路的控制策略，使電路的工作狀態(tài)更加平穩(wěn)，減少電路的振動(dòng)和噪聲。針對混合電動(dòng)汽車中升壓電路系統(tǒng)噪聲、振動(dòng)的問題，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、選用低噪聲、低振動(dòng)的元器件、采用隔離技術(shù)、加強(qiáng)降噪處理、優(yōu)化系統(tǒng)控制策略等一系列措施來減少噪聲和振動(dòng)的產(chǎn)生，提高電動(dòng)汽車的駕駛舒適性和使用效果［5］。

3.4 動(dòng)力耦合裝置

振動(dòng)噪聲特性：混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力耦合裝置是連接發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的重要部件，它的主要作用是將兩種動(dòng)力源的輸出協(xié)調(diào)地傳遞到車輪上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。但是，在運(yùn)行過程中，動(dòng)力耦合裝置也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲和振動(dòng)，主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：a.電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出不平衡。由于電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性不同，當(dāng)它們同時(shí)作用于動(dòng)力耦合裝置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡力，導(dǎo)致動(dòng)力耦合裝置產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。b.傳動(dòng)軸的不平衡。傳動(dòng)軸是連接動(dòng)力耦合裝置和車輪的部件，如果傳動(dòng)軸的平衡不良，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力耦合裝置產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。c.車速和轉(zhuǎn)速的匹配不良。當(dāng)車速和轉(zhuǎn)速無法匹配時(shí)，動(dòng)力耦合裝置會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。例如，當(dāng)車速過低時(shí)，動(dòng)力耦合裝置可能無法將電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出平穩(wěn)傳遞到車輪上。d.動(dòng)力耦合裝置本身的結(jié)構(gòu)和材料。動(dòng)力耦合裝置的結(jié)構(gòu)和材料也會(huì)影響其噪聲和振動(dòng)的產(chǎn)生。如果動(dòng)力耦合裝置的結(jié)構(gòu)不合理或材料質(zhì)量不好，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力耦合裝置產(chǎn)生更多的振動(dòng)和噪聲。

控制措施：動(dòng)力耦合裝置的好壞對動(dòng)力切換過程的工作效率、平穩(wěn)性有著直接聯(lián)系，對于混合動(dòng)力汽車中動(dòng)力耦合裝置的噪聲、振動(dòng)可以通過三個(gè)方面來控制：a.優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化材料選擇，可以減少耦合裝置的振動(dòng)和噪聲。例如，采用減震材料和降低傳動(dòng)力矩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式，可以減少耦合裝置的振動(dòng)和噪聲。b.提高加工精度。通過提高加工精度，可以避免裝配誤差和不平衡，減少耦合裝置的振動(dòng)和噪聲。c.采用主動(dòng)噪聲控制技術(shù)。通過在耦合裝置上安裝振動(dòng)傳感器和噪聲傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測振動(dòng)和噪聲的變化，并通過反饋控制系統(tǒng)調(diào)整電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出，以達(dá)到降低振動(dòng)和噪聲的效果。

3.5 懸掛系統(tǒng)

振動(dòng)噪聲特性：混合動(dòng)力汽車懸掛系統(tǒng)振動(dòng)噪聲是指車輛行駛過程中，由于路面不平、車輪與路面的摩擦等因素所引起的懸掛系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲。它主要表現(xiàn)為車身的顛簸、搖晃和噪聲等，會(huì)影響乘坐舒適性和駕駛安全性。其懸掛系統(tǒng)振動(dòng)噪聲主要分布在20 Hz～1 kHz的頻率范圍內(nèi)，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，車輪與路面之間的摩擦?xí)疖囕v的震動(dòng)和噪聲。同時(shí)，道路上的不平度會(huì)引起車輪的彈性變形，進(jìn)而引起懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，當(dāng)車輪與路面之間的摩擦力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的振動(dòng)和噪聲。此外，懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。在一些結(jié)構(gòu)不合理的懸掛系統(tǒng)中，振動(dòng)和噪聲會(huì)更加明顯。

控制措施：針對懸掛系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性，可以通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：a.優(yōu)化懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，例如采用更合理的懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以增加懸掛系統(tǒng)的減震性能，從而減少振動(dòng)和噪聲。b.在懸掛系統(tǒng)中使用減振器，可以有效地減少懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，并在一定程度上降低懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲向車身的傳遞，而減振器可以將懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)削減一部分，從而減少振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。c.通過優(yōu)化輪胎的結(jié)構(gòu)，可以減少輪胎與路面之間的摩擦及泵氣效果，從而減少振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

隨著混合動(dòng)力汽車的逐漸普及，噪聲和振動(dòng)控制成為制約其發(fā)展的重要因素。本文從混合動(dòng)力汽車的噪聲和振動(dòng)特性入手，探討有效的控制措施。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇低噪聲元器件、采用振動(dòng)控制技術(shù)等多種手段，可以有效降低混合動(dòng)力汽車的噪聲和振動(dòng)，提高其行駛舒適性和安全性，進(jìn)一步推動(dòng)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展。在未來的研究中，還可以進(jìn)一步探索新的控制策略和技術(shù)，為混合動(dòng)力汽車的噪聲和振動(dòng)控制提供更加完善的解決方案。

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作者簡介：

劉杰，女，1982年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。