增程式汽车增程器启动抖动分析及优化

1、问题描述

对该PHEV车型的样车进行NVH性能实际测试时发现，车辆启动（发动机点火）时和行车过程中发动机介入时整车抖动严重，启动过程伴随“哐哐”声。抖动过程中有两次以上的抖动冲击，并且抖动衰减时间长，收敛速度慢，主观感受极差。启动工况时，座椅导轨处振动测试结果如图3所示，频谱分析结果如图4所示。

图3  振动测试结果

图4 振动测试频谱图结果

该测试结果表明，启动过程中座椅导轨处振动峰值为0.09g，远大于目标值0.05g，振动峰值频率为11.27Hz。

2、原因分析

2.1 模态共振分析

电机E2拖动发动机到目标转速900r/min，电机E2的转速由0到1500r/min，拖动过程中电机的主要激励频率范围为0~150Hz，发动机的激励频率范围0~30Hz，该激励频率范围覆盖了动力总成刚体模态频率和传动系统的扭转模态频率。为验证拖动过程中动力总成刚体模态或者传动系统的扭转模态是否被激励起来，特制定如下试验，如表1所示。

表1  验证方案

通过主观评价和测试数据，发现并无明显改善效果。因此该种可能原因被排除。

2.2 发动机点火激励分析

拔掉发动机的所有点火线圈，使发动机无法成功点火。并且通过OBD接口读取发动机转速，同时在座椅导轨布置振动加速度传感器拾取该处振动信号，测试数据如图6所示。

图6  发动机转速和振动测试结果

通过时域对比分析，发现整车抖动最大的时刻发生在电机拖动发动机过程中，且在相同时刻拖动电机的扭矩发生明显波动。由此可以看出：冲击抖动与发动机点火阶段无关；冲击抖动发生在拖动阶段。

2.3 发动机气缸背压分析

拔掉发动机的所有点火线圈并使节气门完全打开减小气缸背压，和原状态的座椅导轨处振动测试结果对比如图7所示。

图7  振动结果对比

由上图可知，拔掉发动机的点火线圈后座椅导轨处的振动峰值比原状态有明显降低，并且主观感受启动抖动和“哐框”声相对原状态已有明显改变，由此可知：发动机背压大小是影响启动冲击的原因之一。

2.4 启动电机力矩分析

在原状态基础上，仅将E2电机的启动扭矩由原状态的140N.m增大到200N.m，和原状态的座椅导轨处振动测试数据对比如图8所示。

图8  测试结果对比

由图 8可知：电机扭矩加大后，座椅导轨处抖动峰值由原状态的0.09g降低到0.049g，并且通过主观评价发现启动过程中的冲击抖动和“哐框”声主观感受有明显改善，该评价结果和客观测试一致。由此可以得出：电机E2拖动扭矩是影响启动冲击的因素之一。

因此，基于上述测试方案所得结果，可以进一步得知：启动E2电机拖动发动机转速由静止状态冲到目标转速过程中，节气门始终关闭，导致发动机的被拖过程中倒拖扭矩波动大，同时，E2电机的拖动扭矩相较发动机倒拖扭矩较小，无法避免发动机倒拖扭矩的影响，进而导致动力合成箱输出扭矩波动大，引起启动冲击抖动问题。

3、方案验证

3.1 提升启动电机启动力矩

选择电机E2的拖动扭矩范围为160 N.m ~220N.m，座椅导轨处的振动峰值测试结果经整理后如图9所示。

图9  测试结果对比

由图9可知，电机拖动扭矩可以有效扰动座椅导轨处振动情况，进而解决启动冲击问题。选择200N.m启动效果最好，基本满足开发目标要求。

3.2 提升启动电机启动力矩

电机E2拖动发动机过程中，使节气门由常闭状态打开到30%开度，通过测试和主观评价发现该方案对启停抖动有明显改善，可认为该优化方案为有效方案。但是该方案实施过程需第三方标定介入，周期较长。

综合以上优化方案，考虑动力电池的峰值放电功率以及悬置耐久等多项指标，制定了最终的优化方案：电机E2拖动扭矩加大到190N.m，与此同时后悬置X向刚度加大到240N/mm，该方案的座椅导轨处振动测试结果如图10所示。

图10  最优方案测试结果

由图10可知：连续10次启动峰值均低于0.05g，满足开发目标要求，最后将该方案工程化实施。

4、总结及优化建议

本文以国产某混动车型为研究对象，利用机理分析以及制定一系列试验方案寻找启动过程中整车抖动原因，通过不同试验方案，最终确定引起启动时，整车抖动的原因为电机E2拖动发动机过程中扭矩波动导致。通过“源-路径-响应”的思路，分别制定了不同的优化方案，最后综合考虑各种因素，选择了一种组合方案，使启动抖动问题得以解决，验证了该优化方案的有效性。