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串并联混合动力豪华轿车开发中的降噪减振技术

2020-02-25 00:35:50·  来源：汽车NVH云讲堂  
　
2007-01-2232Noise and Vibration Reduction Technology inthe Development of Hybrid Luxury Sedan with Series/Parallel Hybrid SystemNaoto Kawabata, Masash
2007-01-2232
Noise and Vibration Reduction Technology inthe Development of Hybrid Luxury Sedan with Series/Parallel Hybrid System
Naoto Kawabata, Masashi Komada andTakayoshi Yoshioka

摘要

对于豪华轿车来说，安静是主要卖点，而混合动力豪华轿车则期望特别安静。因此，在开发混合动力豪华轿车时，需要尽一切努力降低混合动力系统的噪音，以确保其安静程度远远优于普通汽油动力车。此外，纵向动力传动系车辆特有的噪声和振动现象需要特殊的降噪技术。本文首先介绍了混合动力豪华车与普通汽油动力车相比所具有的优越的安静性。然后，本文讨论了发动机起动过程中的振动、发动机爆震噪声和发动机噪声的发展问题，解释了产生这些噪声的机理和降低这些噪声的技术。

前言

全球变暖的加剧和汽油价格的飙升激发了人们对混合动力汽车的兴趣，因为混合动力汽车具有优越的排放和燃油经济性。作为回应，雷克萨斯开发了全球首款后轮驱动（RWD）的串联/并联混合动力轿车GS450h，以及该品牌的旗舰车型LS600h，一款全轮驱动（AWD）混合动力车。这两款车都采用了丰田混合动力系统II（THS II）的新开发版本，用于纵向动力传动系统。这些车辆具有一流的动力性能，同时实现了比传统汽油车更好的环境和环保性能。介绍了混合动力豪华轿车在电动汽车运行和怠速停车时的优越安静性。介绍了纵向动力传动系混合动力汽车的NV降低技术，并针对纵向动力传动系混合动力汽车的发动机起动振动、发动机爆震噪声和发动机噪声等问题提出了相应的对策。
 
1.动力传动系统概述

如图1所示，后轮驱动混合动力汽车的动力传动系由功率分配装置、1号电机（MG1）和减速齿轮组成，1号电机（MG1）是发电用电机，2号电机（MG2）是驱动用电机。动力分配装置将汽油机产生的动力分配给传动系和MG1。注意，配置不包括用于将发动机连接到传动系输出轴的离合器机构。全轮驱动混合动力车的动力传动系是一台V8发动机，与一个新开发的混合动力单元相结合，实现了后轮驱动混合动力车的变速箱，并附加了一个传动装置和差速器。与前轮驱动（FWD）车辆的THS II相比，一个显著的区别是在MG2上增加了一个2速减速齿轮，使MG2能够以更高的速度旋转。因此，即使输出功率增加，电动机也可以变得更紧凑。

图1纵向动力传动系配置

2.混合动力豪华轿车的NV问题

在混合动力豪华轿车的开发过程中，重点关注以下所述的噪音和振动现象。第一个问题是发动机熄火时的安静。在配备THS II的车辆中，当车辆停止或作为电动车辆运行时，发动机停止，使车辆比普通汽油动力车辆安静得多。另一方面，混合动力单元的噪音相当可感知，因此降低噪音是一个问题。关于发动机起动振动，正如前驱动车辆的THS II一样，问题是减少动力装置悬置系统和传动系的振动传递。另一个问题是降低发动机轰鸣声和电机电磁噪声，这与新型变速器的结构和形状有关。下面介绍产生这些噪声和振动现象的机理以及用于降低噪声和振动现象的技术。

3.车辆的安静

为了提高THS-II车辆的燃油经济性，在车辆停车或低负荷低速行驶时，主动停止发动机。因此，如图所示，THSII车辆比普通汽油动力车辆安静得多。2和3。

图2 车辆停止时的车内噪声

图3部分加速时的车内噪声

为了保持这一优势，在变频冷却系统中积极消除水泵的噪声，以及电机、变频器等机组的电磁噪声。

图4示出了反相器冷却系统中水泵的噪声改善的示例。在开发过程中，当发动机停机且背景噪声较低时，泵的叶轮和电机的旋转引起的噪声成为问题。通过减小叶轮的不平衡度、改变轴承结构和改变电机结构，减小了驱动力。为了减小对泵体的输入力，在泵体上安装了橡胶隔振装置，并对泵体上安装的泵支架的刚度进行了优化。这些对策大大降低了噪声水平。

图4车辆停止时水泵噪声的降低

逆变器产生的电磁噪声是由直流电转换为交流电时产生的高频噪声，这种噪声传播到车内的途径包括来自逆变器外壳的空气传播噪声和结构传播噪声，以及来自变速器的空气传播噪声。通过提高车辆的吸声性能来解决空气传播噪声，通过改善逆变器外壳和支架的振动特性来处理结构传播噪声。
图5车辆停止时的噪声级比较

图6 部分加速时噪声级比较

作为这些对策的结果，混合动力豪华轿车的安静程度大大优于同级别普通汽油动力车（图。5和6）。

4.发动机启动振动

4.1产生机理

一般来说，在装有纵置发动机的车辆中，在发动机起动过程中，车身的垂直和横向振动与动力装置的ROLL和YAW共振一起产生。同样的振动也发生在带有THS II的混合动力豪华轿车上。另外，由于发动机和传动系之间没有离合器机构，发动机的扭矩波动会在传动系中引起扭转共振，在车身中产生纵向振动。这些振动形式的强迫力是电动机转矩反作用力和电动机运转时的发动机压缩压力，以及爆炸时的燃烧压力。下一节介绍了降低这些强制力的技术，以及降低动力总成悬置系统和传动系振动的技术。

4.2减振技术

在混合动力豪华轿车上实施了针对THSII的各种前驱车辆对策。（1）-（3）通过改变进气门关闭正时、控制活塞停止位置以降低发动机压缩压力来降低强制力，调整喷油量和点火正时。

图7 电机减振控制系统

通过缩短主弹性轴与动力装置重心的距离，减小了车体的横向振动。在发动机起动过程中，MG1在大扭矩下工作，抑制了传动系扭振的激励和动力总成悬置系统的共振。在混合动力豪华轿车中，除了上述对策外，还采用了减振电机控制和具有两级滞后特性的扭振减振器来降低传动系扭振。

减振电机控制采用MG1前馈控制和MG2反馈控制的形式（图7）。由于THS II动力分配装置使用行星齿轮，MG1、发动机和传动系轴的转速可以用图8中的诺模图表示。MG1前馈控制根据曲轴转角估计曲轴中产生的扭矩波动。通过对与MG1（图7和图8）同步的扭矩施加前馈补偿，减少了传动系轴转速的波动。MG2反馈控制根据车轮转速和MG2相对于发动机爆震时突然产生的扭矩波动来估计驱动轴的扭转角速度。通过将异相转矩反馈给MG2来减小车体的纵向振动（图9）。

图8 前馈控制概念图

图9 电机控制减振

增加扭振减振器的阻尼也可以降低传动系的扭振水平。增大滞环转矩是提高阻尼的有效途径，但由于对传动系转矩波动的增大，引起了发动机爆震一阶部件爆震噪声恶化的担忧。考虑到这两种现象的不同扭转角，采用了具有两级滞后特性的阻尼器（图10）。在发动机起动过程中，高振幅区域的滞回转矩较高，但在极低振幅区域的滞回转矩较低，在极低振幅区域，可能会出现轰鸣噪声（图。11和12）。

图10 扭振减振器横截面图

图11 扭转减振器概念图

图12 扭转减振器特性

5.发动机轰鸣声

5.1开发问题

在V6发动机驱动的车辆中，除了发动机转速的三阶分量外，发动机转速的二阶分量的轰鸣噪声有时也会成为一个问题。二阶激振力主要是活塞往复惯性的二阶耦合。振动被动力总成的弯曲共振放大，并从变速器后部的支座传递到车身，产生隆隆的噪音。后轮驱动混合动力轿车采用了双减速齿轮，从而减小了电机的直径和重量。但THSII变速器的总长度比同一平台（图13）上普通汽油动力车的6速自动变速器（a/T）大50毫米，质量大约大35公斤。

图13后轮驱动6速A/T与THS II的传输比例尺比较

有人担心，质量和总长度的增加会导致动力总成共振下降到正常的发动机转速范围。还预测了传递力的增加，因为分配给悬置的载荷的增加将要求悬置的刚度提高到6速a/T悬置的1.5倍。

图14 动力总成弯曲共振振型

图15改变悬置位置

5.2减振技术

动力总成共振的变形模式使得在传输中引起大变形，如图14所示。研究了如何提高共振频率，使其与发动机正常转速范围相分离。采用有限元分析方法对变速器箱体进行了优化设计，包括修形、加强筋等。结果，共振频率提高到180赫兹，相当于6速a/T。此外，悬置安装位置比原计划向前移动80毫米，以便将其设置在振动模式的节点处（图15）。改变悬置安装位置，会引起悬置安装空间、主弹性轴与重心分离等新问题，严重影响发动机的起动振动性能。为了确保足够的悬置安装空间，悬置被嵌入到横梁上，这与用于6速a/T的结构有很大的不同（图16）。通过优化悬置弹簧常数的纵横比，减小了主弹性轴与重心的距离。这些对策成功地解决了爆震噪音和发动机起动振动的问题（图17）。

图16六速变速器悬置结构比较图

图17发动机转速和动力总成弯曲共振频率二阶分量引起的内部轰鸣噪声级

6.电机噪声

6.1开发问题

混合动力豪华轿车的变速器总长度大于四轮驱动车辆的THS II（图18），因此使整个变速器变形的共振在相对较低的频率下产生。此外，由于MG2减速齿轮比较低（表1），在背景噪声较小的低速范围内（图19），MG2转速的24thorder分量产生共振，这意味着容易听到电机噪声。此外，变速器安装在中央通道中，这使得从变速器到乘员的声音传递功能比安装在发动机舱中的FWD混合动力车辆中的声音传递功能更高（图。20和22）。下一节解释了所采用的对策。

图18 变速器长度比较

表1 减小MG2速比
 
图19 MG2 24阶频率与车速的关系

图20 变速器位置比较

图21 纵置变速器的振型

6.2减振技术

为了减小MG2产生的24阶旋转电磁力，将永磁体布置成V形和角度。。优化了磁体布置，如THS II中所述，用于前驱车辆.(3)

为了改善变速器的辐射噪声特性，采用有限元分析方法对产生辐射噪声的振动模态进行了详细的分析。结果表明，存在两种振动模式。一种振动模式将变速箱壳体的弯曲共振与MG1和MG2转子作为质量元件和支承轴承作为弹簧元件的共振耦合起来。图21所示的另一振动模式耦合了传动箱的弯曲共振。

为了消散这些共振频率，改变了传动箱的共振频率，从而改善了辐射噪声特性。通过在振幅较大的变速器后端安装动态减振器，以及在变速器壳体的辐射区域增加加强筋，改善了辐射噪声特性。在LS600h中，在变速器表面增加了隔音罩。

为了改善声传递功能，在中央通道和仪表板周围添加了吸声和隔音材料（图22）。这些对策使得实现适合混合动力豪华轿车的电机噪声性能成为可能。

图22 从透射面到乘员耳朵位置的声传递函数

结论

通过解决下面列出的噪音和振动问题，确保了适合混合动力豪华轿车的卓越噪音和振动性能，这些问题已成为混合动力豪华轿车开发中的问题。

（1）怠速停车和电动汽车运行时的安静

通过改善逆变器水泵噪声、逆变器噪声和电机噪声，实现了怠速停车和电动汽车运行时的卓越安静。

（2）发动机起动振动

采用前轮驱动车辆THS-II系统中的减振技术，采用一种新型的电机控制方式，通过优化扭振减振器的滞环转矩，降低了传动系的扭振。
 
 
（3）发动机轰鸣声

通过改善动力装置的弯曲共振，改变悬置位置，减小对机体的输入力，抵消了发动机转速的二阶轰鸣噪声。

（4）电机噪音

通过降低MG2转速下的24阶电磁力，改变传动箱的共振，在传动箱上安装动态减振器，在散热区域增加加强筋，改善了电机噪声，通过在车内添加吸声和隔音材料，改善从变速器到乘员的声传递功能。
 
 
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