某混动车型怠速充电时方向盘振动问题分析与对策研究

2023-07-13达伟伟褚略超

时代汽车 2023年14期

达伟伟　褚略超

摘要：NVH性能在混合动力汽车开发过程应重点验证与优化。公司某混动车型在开发阶段发现怠速充电时方向盘振动大问题。为解决此问题，从振动产生与传递的工作原理出发，分析并制定出可行的改进方案，同时结合项目开发时间与经济成本要求，最终选定最优方案、解决该问题，新产品NVH性能有效提升。

关键词：混合动力汽车方向盘 NVH

1 背景

面对全球能源危机及日趋严重的环境污染问题，新能源汽车逐渐兴起，目前已快速成为汽车市场的主力军。从能量转化角度来讲，新能源车又可以分为电动车、燃料电池车、混合动力车三类。

混合动力电动汽车通过内燃机工作效率的优化，怠速停机和制动能量回收等措施实现混合驱动与混合制动，达到整车节能减排的目标；基于电驱动系统的高效率、制动能量回收和附属系统的电动化等途径，纯电动汽车实现了整车的高效率运行；插电式混合动力通过车外充电与车载发电系统的结合，集聚了上述两种车型的优点，实现了城区短途的纯电动运行与远途的混合动力运行[1]。

混动汽车常见三种类型：外插电式混动、油电混联式混动与增程式混动。三种混动汽车均存在发动机、动力电池、驱动电机等关键零件，不同的是外插电式混动汽车，可以通过DCDC将外部交流电储存于动力电池中，在功率需求满足的情况下，优先使用电力进行驱动，常见的汽车有比亚迪秦plus。油电混联式混动则是无法外部充电，因电池容量低、纯电续航较短，因此通过发动机工作持续充电，部分工况发动机亦可直接驱动，常见车型本田奥德赛。最后一种增程式混动，则是在油电混联式混动的基础上，加大电池容量，并布置外充系统，但发动机工作仅用于动力电池充电，不参与直接驱动，常见车型理想one[2]。

混动汽车相对于传统汽车，增加了动力电池、驱动电机、发电机等高压系统，成本增加，对整车定价会有所提高，从而降低用户购买欲望。除了整车成本、价格增加外，对于整车动力系统布置、零件可靠性及耐久验证、关键零件三包服务、售后问题排查及配件换件返修等，对主机厂及服务站都增加了一定的难度。并且，国内充电服务基础设施目前不够完善，在一二线城市无法满足大部分用户便捷充电需求，在三四线城市则又无法普及。对比随处可见的加油站以及3分钟加满油的传统车，外插电式混动汽车、增程式汽车可外充的优势就捉襟见肘了。

本文论述的车型是混动汽车中的油电混联式混合动力汽车，是在原有燃油车型基础上增加电驱动系统，取消变速器及发电机。理论上，在用户常用的起步、低速行驶的工况下通常为纯电驱动行驶，NVH性能表现比传统车更优[3]。但油电并联模式、发动机给电池充电工况也是经常出现的用户实际用车场景，这个工况下，发动机噪声与传递的振动水平接近传统燃油车，从而预期的NVH表现受到了挑战，噪声（Noise）、振动（Vibration）、声振粗糙度（Harshness）统称汽车的NVH特性[4]，作为汽车关键性能指标之一。

混动汽车已成为时代发展趋势，在整车动力性、经济性及环保性均优于传统内燃机汽车，为了顺应市场需求及减少燃油积分压力，决定将K车型（本文使用“K”代替该车型名称）传统发动机汽车，通过动力总成变更及验证，迭代量产为油电混动车型。经过工装样件造车，首批体验车交付与用户进行试乘试驾体验，通过用户体验收集用户主要关注问题，并集中资源在整车量产前进行问题解决。经过6个月用户体验及问题收集，发现用户集中抱怨问题为：“原地怠速等红绿灯或等人，发动机会启动，这个时候手握在方向盘周圈上感觉振动明显，有点麻手”。共计收到用户抱怨反馈19例，已成为前列重点待解决问题。

2 原因分析

针对“K”车型用户体验评审发现的怠速等红绿灯时方向盘振动大问题，评审人员开展了对标车主观感知评审与对比，发现国内外6款混动车型在怠速充电时方向盘的振动均明显强烈于燃油车怠速工况，且主观评价K车型样车处中下水平。为客观评价方向盘振动程度，工程师使用三向加速度传感器对相关样车进行了振动数据测试；客观数据与感知评价结论基本一致。（表１）

振动从哪里产生，又是如何传递到方向盘的？为诊断问题发生原因、及时解决此问题，工程师根据振动产生与传递的机理，开展了“K”车型从激励源到振动传递路径及车内响应的一系列零件的分析与测试，并对照设计阶段对动力总成的刚体模态试验、弹性模态试验、对转向系统模态试验的数据及各个目标值[5]。经振动测试及数据分析，锁定了影响较大的几个关键因素为：发动机（激励源），发动机悬置（传递路径），仪表板支架（传递路径），方向盘（车内响应）。主要测试结果如下：

（1）由发动机激励频率及转向系统模态频率测试结果发现：

“K”车型发动机激励频率35Hz，与其方向盘模态频率36.5Hz接近，远低于建议目标45Hz，同时也远低于对标车“A”的模态频率54.6Hz；（表２）

（2）由发动机悬置振动测试结果发现：

“K”车型在发动机悬置的振动较大，整体激励是原燃油车型的3.8倍，是对标车“A”的2.5倍。（表３）

3 解决方案

针对以上测试分析结果，分别制定改进方案、评估制定改进计划：

（1）降低发動机怠速充电转速及扭矩、降低发动机工作振动，从根本上提升NVH表现。

混动车型怠速充电发动机转速及扭矩均大于传统燃油车，导致发动机振动更强烈。在保证充电功率的前提下，应尽可能的减小发动机转速及扭矩，提升NVH表现。

“K”车型原怠速充电工况下，发动机转速与扭矩分为1200rmp@40Nm，该工况对应P1电机充电功率为5Kw。经小组调用车载大数据系统分析，怠速充电工况下，绝大部分用户使用用电器为网联车机、空调，实际3KW充电功率已满足用户用车需求。因此决定优化标定数据，降低发动机怠速转速及扭矩至1050rpm@30Nm。

（2）减少车身向转向系统输入能量 – 传递路径增加隔振处理

控制振动传递是提升NVH表现的另一有效途径。金属弹簧和橡胶弹簧，由于其结构简单、安装方便、可靠性好等优点，因此在汽车以及车载仪器设备等常规隔振领域应用广泛[7]。经过CAE仿真分析，CCB支架与中间通道连接点增加隔振，可以有效地较少振动传递。

根据车身与座舱布局、零件构造等分析，初步制定了3种隔振方案：L形隔振、硫化隔振、U形隔振。经隔振块零件改制与装车后测评，L形隔振方案对方向盘振动问题改善效果最为明显，最终决议在“K”车型上使用L型隔振方案。

方向盘振动——3种隔振实车测试数据：（表4）

实车主观评价：（表5）

L型支架数模图：

L型支架样件：

L型隔振方案造车验证、测试结果表明，装配L型隔振的样车振动均大幅降低：

样车1：方向盘原始：0.86m/s^2，隔振后0.52m/s^2

样车2：方向盘原始：1.17m/s^2，隔振后0.65m/s^2

样车3：方向盘原始：1.02m/s^2，隔振后0.55m/s^2

（3）零部件模态接近激励源频率，系统会产生共振，因发动机激励频率为35Hz，需要提升转向系统模态至45Hz以上，避免转向系统模态频率与发动机激励频率相接近[6]。