混合動力汽車噪聲和振動特性及其控制

許林倩 　岳志強

摘 要：本文主要闡述了混合動力汽車的構(gòu)成，分析了由組件變化導(dǎo)致的噪聲和振動源以及其特性的變化，并提出了針對該汽車噪聲和振動源的控制辦法。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車 噪聲 振動特性

Hybrid Electric Vehicle Noise and Vibration Characteristic and its Control

Xu Linqian，Yue Zhiqiang

Abstract：This article mainly describes the composition of hybrid electric vehicles， analyzes the noise and vibration sources and changes in their characteristics caused by component changes， and proposes control methods for the vehicle noise and vibration sources.

Key words：hybrid electric vehicle， noise， vibration characteristics

當今社會，在汽車研發(fā)的新領(lǐng)域中出現(xiàn)了一種混合動力汽車，該汽車的研發(fā)使國際汽車行業(yè)的霸主也很是關(guān)注。但是，在國際上針對該汽車振動和噪聲的研究并不是很多。基于此，本文主要對該汽車的振動和噪聲展開了比對、認真的分析和仔細的研究;講述了與典型內(nèi)燃機汽車相比，混合動力汽車的結(jié)構(gòu)和組件的變化，以及由此和其他因素引起的噪聲和振動源及主要特性變化。

1 混合動力汽車的構(gòu)成以及噪聲和振動源的特性

1.1 車輛的構(gòu)造

混合動力汽車是一種新型的環(huán)保節(jié)能汽車，由兩個動力源（發(fā)動機和電動機）驅(qū)動。使用兩種能源的混合動力汽車特性為了使其能夠適應(yīng)并滿足多種能源驅(qū)動的車輛的不同要求，在質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件上都有重大變化。該汽車的結(jié)構(gòu)和布局很復(fù)雜，添加了經(jīng)典汽車里沒有安裝的一些其他組件，比如，配電設(shè)施、電機、能量轉(zhuǎn)換器和大容量電池。通常，與具有內(nèi)燃機的常規(guī)車輛相比，混合動力車輛的結(jié)構(gòu)和零件的變化主要體現(xiàn)在以下幾點。

1.1.1 動力體系

（1）常規(guī)的內(nèi)燃機車輛全部依靠發(fā)動機來提供動力，而混合動力車輛是由發(fā)動機和電動機的組合驅(qū)動或兩者分開驅(qū)動的;（2）混合動力汽車添加了電池用來供給輔助動力。因為想要最大力度的重復(fù)利用制動能，還添加了發(fā)電機，把制動能變換成電能并且保存在電池內(nèi);（3）使用了動力耦合設(shè)備來達到動力合成分配，讓變速箱越發(fā)的復(fù)雜。

1.1.2 輔助體系

經(jīng)典汽車的輔助體系一般靠發(fā)動機供給電力，包括冷卻、轉(zhuǎn)向壓力泵、水泵、空調(diào)壓縮機等都是使用電力的，而混合動力汽車把這些全部改為了電驅(qū)動，達到了只使用電動壓縮機和電動泵就能保障每個部分正常使用。

1.1.3 車身和底盤體系

車輛的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、承受載重分配和運作的性能都因為動力體系和輔助體系的改變而改變，如果想要接受這種改變，混合動力車輛的車身和底盤體系就一定要做到改變。

1.2 動源和噪聲振特性

按照對汽車的全車結(jié)構(gòu)和組件改變的分析，該汽車的噪聲和振動有著其獨有的特性，與經(jīng)典的內(nèi)燃機車輛相對比較，具備以下特征：（1）全車結(jié)構(gòu)的噪聲和振動很受質(zhì)量的影響;（2）減少了車輛的室內(nèi)和室外聲學(xué)環(huán)境中的噪聲，并且車輛的聲學(xué)特性改變;（3）噪聲和振動源的分布更加分散;（4）瞬態(tài)沖擊振動和高頻噪聲現(xiàn)象十分明顯;（5）對噪聲和振動源的滲透要求越發(fā)苛刻。

2 振動源和噪聲分析

混合動力車輛雖然具備與經(jīng)典汽車一樣的振動和噪聲問題，但也有其獨特的振動和噪聲問題。本文詳細分析了混合動力車輛的振動和噪聲問題。其振動和噪聲來源一般是發(fā)動機、加/減速、升壓電路、電機、車輛結(jié)構(gòu)、動力耦合設(shè)備、制動等產(chǎn)生的噪聲和振動。

2.1 發(fā)動機

在混合動力車輛中，發(fā)動機仍舊占據(jù)著噪聲和振動的大部分，盡管噪聲和振動已經(jīng)有了很大的減少，但其特性也發(fā)生了顯著變化。關(guān)于汽車發(fā)動機的噪聲和振動，可以歸納以下幾點：

（1）在汽車在城市之內(nèi)慢速行駛過程中，發(fā)動機的熱效率特別低，而且為了增加其燃料效率，必須經(jīng)常啟動、停止，就是因為發(fā)動機頻繁地啟動和停止，導(dǎo)致了經(jīng)常出現(xiàn)噪聲和振動，使乘客非常不舒服并且易于引起注意。（2）汽車開動時，變速箱處于主動齒輪中，因此發(fā)動機的扭矩脈動和振動就能夠傳送到整個動力體系，從而導(dǎo)致底板和座椅產(chǎn)生振動和噪音。（3）發(fā)動機在緩慢燃燒過程中，汽車會被初始扭矩波動影響，發(fā)出振動和噪聲。該問題是因為發(fā)動機與變速箱相連。

2.2 發(fā)電機/電機

發(fā)電機/電機一般在汽車內(nèi)有著輔助動力和發(fā)電的功能。其在車輛提速或爬升過程中能夠供給其他的輔助動力，在降速或制動過程中還能夠回收部分能量保存在電池內(nèi)。如果發(fā)電機/電機供給輔助動力或發(fā)電，則主要噪聲源為：電磁噪聲，機械噪聲和空氣動力學(xué)噪聲。

2.3 升壓電路系統(tǒng)

如果要增加汽車的燃油率和動力，一般將升壓電路系統(tǒng)添加到車輛中;升壓電路系統(tǒng)會顯著提高動力電壓用來改變系統(tǒng)的功率和效率。伴隨該汽車的電池電壓增加，在感應(yīng)器線圈內(nèi)產(chǎn)生的交流磁場能夠由交流快速轉(zhuǎn)換電路來形成，隨后產(chǎn)生磁芯的脹大和縮小、線圈振動以及磁致伸縮的情況。車輛內(nèi)外噪聲的噪聲源也很大部分是因為系統(tǒng)導(dǎo)致的輻射噪聲和振動;系統(tǒng)中發(fā)出的噪聲與電流成正比，電機增加電流越大，系統(tǒng)發(fā)出的噪聲就越大。

2.4 動力耦合裝置

在汽車行駛阻力大時，產(chǎn)生的驅(qū)動力是由發(fā)動機和電機共同完成的，而動力耦合設(shè)備就是承擔這種驅(qū)動力的。該設(shè)備的品質(zhì)是能夠關(guān)系到動力耦合效率和耦合時穩(wěn)定性的重要因素。一旦在功率合成時耦合裝置發(fā)現(xiàn)問題，那么耦合裝置就會產(chǎn)生振動并發(fā)出噪音，另外，如果耦合功率輸出不穩(wěn)定，則連接到耦合設(shè)備的傳統(tǒng)電源系統(tǒng)也會振動。

2.5 其他噪聲和振動

在汽車加/減速度過程中，電機會隨之加/減輔助轉(zhuǎn)矩的輸送。一旦電機產(chǎn)生的輔助轉(zhuǎn)矩比發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩加/減得更快，那么兩者都會導(dǎo)致不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，牽引轉(zhuǎn)矩波動以及最終導(dǎo)致動力傳遞系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動發(fā)生。高壓鎳氫或鋰電池已被添加到混合動力汽車中，這種混合動力汽車非常重，數(shù)十或數(shù)百公斤，這些電池的放置和支撐會影響車輛的結(jié)構(gòu)模式，隨著電池質(zhì)量的增加，整個車輛的模式頻率會降低。因為混合動力汽車使用先進的電子電路控制技術(shù)，所以其電路系統(tǒng)和通風管道比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車更為復(fù)雜，而且在車身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部之間通過會帶有大量氣孔，從而引起噪音和振動的問題。

3 混合動力汽車噪聲和振動源的防控措施

3.1 發(fā)動機

發(fā)動機可以通過以下方式控制發(fā)動機噪音和振動：（1）改善發(fā)動機混合動力的變換掌控，用來減少發(fā)動機啟用過程中產(chǎn)生的外部振動力;（2）改善發(fā)動機支撐系統(tǒng)用來傳送振動特性;（3）采取低噪音的組成和傳動方式;（4）加大主要零件的質(zhì)量和配置精度;（5）在振動表面上使用彈性物體接收振動能。

3.2 電機

如要汽車的電機減少噪聲，第一步要先降低電磁噪聲，第二步降低機械結(jié)構(gòu)噪聲。

降低電磁噪聲的辦法有：（1）達到正弦勵磁場并合理設(shè)計爪極用來降低諧波含量;（2）采用科學(xué)的氣隙磁密度;（3）選用相應(yīng)的槽配合，以免發(fā)生低次力波;（4）定子和轉(zhuǎn)子之間的連接路徑要對稱且均勻，并且重疊緊密，尤其是，定子和其線圈一定要牢牢固定;（5）圓度和同軸度是定子和轉(zhuǎn)子在加工與安裝過程中一定要注意的事情。

降低機械結(jié)構(gòu)的噪聲辦法：（1）把主要結(jié)構(gòu)組件的固定頻率偏離激振力的頻率，特別是遠離高激振力的振動頻率;（2）在電機蓋和定子之中安裝彈性連接組件;（3）增加阻尼設(shè)備，提升電機的阻尼能力，用高能量來消耗內(nèi)部能量，達到降低電機的振動情況。

3.3 升壓電路系統(tǒng)

汽車在承載重物的情況下加速會產(chǎn)生更多的噪音。想要使系統(tǒng)里的噪聲減少發(fā)生，一般采取幾種辦法來有效控制：（1）按時替換電磁線圈的磁芯材料，能夠減少因磁變形和磁芯的脹大和縮小而產(chǎn)生的外力;（2）改變外殼和支架的振動特性;（3）改變車身振動和噪聲的隔絕與吸收。

3.4 動力耦合設(shè)備

該設(shè)備的質(zhì)量會嚴重影響動力開關(guān)過程中的穩(wěn)定性及其工作效率。一方面，改善設(shè)備的控制算法;另一方面，應(yīng)用仿真軟件來模仿設(shè)備的性能，找出不科學(xué)的設(shè)計并對其進行改善。

3.5 其他噪音和振動

在汽車加/減速度過程中，如果主動力產(chǎn)生的扭矩和輔助動力產(chǎn)生的扭矩不配合，會導(dǎo)致沖擊或不平穩(wěn)。為了避免這種情況，設(shè)計控制器要準確地算出主動力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，按照功率需要，再準確的算出輔助動力需要的扭矩，使兩種動力產(chǎn)生的扭矩能夠配合。

高壓鎳氫或鋰電池在混合動力汽車中的放置和支撐會影響汽車的整體結(jié)構(gòu)，把電池放在接近汽車振動節(jié)點的位置上能夠減少噪聲和振動，比如放于二排座位底下。

應(yīng)該在空氣動力學(xué)中針對汽車的電路系統(tǒng)和通風管道導(dǎo)致的氣體噪聲和振動進行改進。經(jīng)空氣動力學(xué)實驗研究，完善回路系統(tǒng)和通風管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以符合減少噪音和振動要求。

4 混合動力汽車噪聲和振動控制的發(fā)展趨勢

從汽車噪聲和振動的特性和結(jié)構(gòu)改變分析，其發(fā)展方向可歸納如下：（1）車輛噪聲和振動源的綜合分析;（2）車輛開發(fā)過程中的噪聲和振動設(shè)計;（3）車輛內(nèi)部和外部的客觀和主觀評估以及聲學(xué)質(zhì)量分析;（4）車輛模型條件分析和頻率設(shè)計;（5）發(fā)動機運行的剎那振動研究和控制方法;（6）動力耦合過程中的研究和控制方法;（7）研究不同功率之間切換時的噪聲和振動情況;（8）研究質(zhì)量和布局改變對汽車噪聲和振動的影響。

5 結(jié)語

要想解決混合動力汽車的噪聲和振動問題，必須要重視其的振動和噪聲特性。對于目前領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的特性，可以使用研發(fā)出來的一些辦法，對于這些剛發(fā)現(xiàn)的噪聲和振動問題，就需要研究出新的防控辦法來減少汽車的噪聲和振動，以達到乘坐的舒適性。

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