插電混合動力汽車熄火抖動優化

相龍洋 顧彥 魏娜

摘 要：插電混合動力汽車的怠速工況，發動機為電池充電，因此其怠速轉速比傳統燃油車更高。在熄火過程中可能會出現抖動較大的問題，引起較大抱怨，嚴重影響整車品質。文章對車內振動、發動機轉速和發動機內部控制參數進行了深入測試及分析。綜合利用時頻分析，相關性分析和與燃油車對比分析的方法來識別熄火抖動較大的原因。研究表明，插電混合動力汽車由于怠速轉速較高，熄火時轉速下降較慢，激起了系統零部件結構模態引起較大抖動。通過優化標定策略可以迅速減小熄火過程的進氣量，使轉速更快下降至停止，該方案將熄火過程的抖動幅值改善了40%，主觀感受較好，達到優化目標。

關鍵詞：插電混合動力汽車;熄火抖動;標定優化;進氣量

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-129-03

Abstract： The idle condition of plug-in hybrid electric vehicle （PHEV） is different from that of traditional vehicle. The engine charges for the battery so that the idle engine rotational speed is higher than that of traditional vehicle. The power-off shake of PHEV may cause complaint. The vehicle vibration， engine speed and internal parameters are measured and analyzed. Then the time-frequency analysis， relevant analysis and comparison with traditional vehicle are conducted to identify the source of the power-off shake. The study reveals some conclusions. The slower engine speed drop stimulates the mode of one component to cause obvious shake. The calibration optimization allows less air into the engine during the power-off condition to make the speed drop much faster to zero. The optimization could improve the power-off shake by 40%.

Keywords： plug-in hybrid electric vehicle; power-off shake; calibration optimization; intake air

前言

汽車作為最常用的交通工具之一，各種工況下的車內主觀感受越來越引起用戶和廠商的關注。汽車點火，怠速和熄火是每次開車時不可避免的工況。因而怠速熄火的車內抖動水平也是需要重點關注的。汽車是一個極其復雜的系統，包含各種振動噪聲激勵源，這些激勵會通過不同的路徑傳遞到關注的響應點，在此過程中會經過結構的衰減或放大[1]。由于傳遞路徑的復雜性和局限性，為了從根本上降低響應點處的振動噪聲幅值，優化激勵源才是最有效的措施。

插電混合動力汽車與傳統燃油車相比，工況更多，其怠速充電工況是最常用的工況之一。插電混動汽車的怠速工況是發動機為電池充電，此時發動機轉速較高。怠速熄火工況也與燃油車有所區別，可能會出現抖動問題。通常怠速熄火抖動的頻率較低，人體對低頻振動更加敏感，所以會極大影響車內用戶的主觀體驗[2-3]。

本文針對插電混合動力汽車的怠速熄火工況出現的抖動大的問題開展研究，首先根據試驗測試評估其抖動特征，然后針對實驗結果，基于時頻分析[4-5]和與燃油車對比分析的方法，對怠速熄火抖動問題的原因進行深入識別。根據研究結果，通過標定策略的優化，從源頭上改善怠速熄火抖動大的問題。

1 怠速熄火抖動特征評估

首先對有熄火抖動抱怨的插電混合動力汽車進行試驗，測試客觀數據。對整車由怠速工況熄火過程的振動特征進行深入測試分析。基于振動加速度傳感器測試車內座椅導軌處的振動，如圖1所示。座椅導軌處的振動可以代表人體直接感受到的車內振動。此外，由于發動機的輸出轉速在很大程度上反映發動機對整車的激勵特征，故試驗過程中同步采集了發動機曲軸的瞬時轉速，以此來判斷發動機的激勵水平。在試驗測試過程中，測試人員坐于車內，對怠速熄火抖動水平進行主觀評價。

試驗過程中，為了測試正常怠速熄火工況，首先需要將被測車輛熱車，監測發動機水溫達到90度以上。其次檢查冷卻風扇狀態，確認風扇處于不開啟的狀態，排除風扇振動的影響。然后基于專業數據采集系統和采集軟件進行測試，對怠速熄火工況的振動信號進行采集。

對怠速熄火工況采集到的車內振動信號進行時頻分析，如圖2所示。由此可以發現，在整車點熄火及怠速運行階段，10Hz附近有一條亮帶，說明系統中某個零部件的模態在10Hz附近。但是怠速過程振動較小，無明顯抱怨。熄火時明顯激起了該模態，使振動幅值明顯增大，引起抱怨。雖然系統中零部件存在模態是熄火抖動的一個路徑原因。但激勵源是發動機的熄火過程產生了過大的激勵，因此要從源頭改善該問題，需要對發動機的激勵特性進行研究。

因為發動機輸出轉速可以一定程度上反映發動機的瞬態激勵，所以提取熄火過程的振動時域信號和發動機曲軸的瞬態轉速進行深入分析，如圖3所示。可以發現，剛熄火時，發動機轉速突然略有上升，引起了第一次抖動，但幅值較小，且與怠速工況連續，主觀感受不甚明顯，不會引起較大的抱怨。隨著發動機轉速下降，車內抖動迅速下降，然后抖動幅值突然增大，引起二次抖動。其幅值最大達到0.25m/s2，導致主觀感受很差，會引起明顯抱怨。

汽車下坡制動不發生向前顛覆的前提條件是αmax>αφ。

由①、②兩式可得：mgsinαmax-amgcosαmax/hg= mgsin αφ-φmgcosαφ

即sinαmax- sinαφ= acosαmax/hg-φcosαφ>0

acosαmax/hg>φcosαφ

因為cosαmax

反之，只要 ，則αmax>αφ。

因此，汽車下坡制動不發生向前顛覆的前提條件為：。

代入相應參數可得 。

由計算結果可知，汽車在坡道下坡制動時，汽車發生前翻之前先發生車輛下滑。

3.2 橫向穩定性分析

3.2.1 側坡直線行駛工況

汽車在側坡上做直線行駛時，影響汽車側翻的主要因素為汽車的質心高度hg和左右輪距B，其受力分析如圖5。

根據力學關系可得mgsinβhg+N2B=mgcosβ·B/2

當車輛發生側翻時，上側車輪與地面之間無相互作用力，即N2=0

此時mgsinβmaxhg =mgcosβmax·B/2，解得βmax= arctan=35.6°

當車輛發生側滑時 mgcosβφφ=mgsinβφ，解得βφ=arctanφ=33.0°

由計算結果可知，βmax>βφ，說明汽車在側坡上直線行駛時，汽車發生側翻之前，先發生側滑。

3.2.2 水平路面轉彎行駛工況

汽車在水平路面轉彎行駛時，影響汽車側翻的主要因素為汽車速度ua和質心處的轉彎半徑R，其受力分析如圖6。

根據力學關系可得N1B+ hg=mgB/2

當車輛發生側翻時，N1=0，即 hg=mgB/2，解得Rmin=? =0.142

即車輛轉彎行駛時發生側翻的最小轉彎半徑（質心處）為0.142。

當車輛發生側滑時， mgφ= ，解得Rφmin= = 0.157

即車輛轉彎行駛時發生側滑的最小轉彎半徑（質心處）為0.157。

由計算結果可知，Rmin

3.2.3 車輛在20°側坡上向上轉彎行駛

汽車在20°側坡上向上轉彎時，最有可能發生向下側翻， 其受力分析如圖7（β=20°）。

根據力學關系可得

當車輛發生側翻時，N2=0

解得

即車輛在20°側坡上向上轉彎行駛時發生側翻的最小轉彎半徑（質心處）為0.365。

當車輛發生側滑時：

解得

即車輛在20°側坡上向上轉彎行駛時發生側滑的最小轉彎半徑（質心處）為0.441。

由計算結果可知，Rmin

3.2.4 車輛在20°側坡上向下轉彎行駛

汽車在20°側坡上向下轉彎時，側坡對外輪的支撐力將隨著車速的增大而增大，汽車由側坡向下翻及向下滑的可能性比在側坡上直線行駛時要小，其工況比車輛在側坡上直線行駛要好。

3.3 結論

通過上述分析計算，汽車在干燥的土路（路面附著系數φ=0.65）上行駛時，汽車無論做上坡、下坡、側坡直線行駛、20°側坡轉彎行駛和水平路面轉彎行駛時，都將先發生側滑，后發生側翻，該車質心位置布置合理，汽車具有良好的行駛穩定性。

4 結束語

本文主要介紹了利用MATLAB軟件計算重型汽車質心位置的方法，將改裝項作為可變量輸入，將質心位置計算結果直接顯示在軟件頁面上，還可隨時根據輸出的質心位置對改裝項數據進行調整，以便快速找到最合適的安裝位置，保證汽車的行駛穩定性。

參考文獻

[1] 王望予.汽車設計（第4版）[M].北京：機械工業出版社.2007.

[2] 余志生.汽車理論（第5版）[M].北京：機械工業出版社.2009.3.

[3] 藏杰，閻巖.汽車構造[M].機械工業出版社，2008.

[4] 成大先.機械設計手冊第四版三卷[M].化學工業出版社，2002.

[5] 鐘鏵.汽車重心計算[J].重慶重汽科技，2007（02）.

[6] 劉華，張亞雄.Excle在車輛質心與軸荷分配計算中的應用[J].專用汽車，2011（02）.