混合动力汽车振动噪声特性和控制措施

摘要：当前混合动力汽车受到了国际汽车行业的广泛关注，然而一些学者对混合动力汽车振动噪声的研究比较少。基于此，围绕混合动力汽车的噪声振动特性展开详细分析，并探讨其有效的控制措施，以期为后续相关研究提供参考。

关键词：混合动力汽车；噪声；振动特性；控制措施

中图分类号：U461 收稿日期：2023-05-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.006

1 前言

相较常规燃料汽车，混合动力车辆的结构、制动策略有比较明显的不同，驱动源的变化将导致整个车辆的振动噪声发生改变。同时，混合动力车辆在各种状态下都不是完全依靠发电机工作的，按其工作方式可分为两种，即纯电动工作模式、混动工作模式。在纯电动工作模式中，由于不能对发电机噪音加以有效屏蔽，从而导致汽车附件、路噪问题更加突出，频率高，被乘客感知的概率比较大；在混动模式下，发动机起动与熄火等多项过程的频繁发生也会造成振动冲击问题［1］。对此，对混合动力汽车噪声、振动加以控制有着极为重要的现实意义。

2 混合动力汽车的构成

混合动力汽车是一种结合燃油发动机和电动机的汽车，由燃油发动机、电动机、电池组、控制系统四部分构成。a.燃油发动机。混合动力汽车仍然以燃油发动机作为动力输出的主要来源。燃油发动机和传统汽车的发动机基本相同，但在混合动力汽车中，它通常会更小，更高效。b.电动机。混合动力汽车还配备了电动机，通常安装在变速箱或轮毂处。电动机主要负责辅助燃油发动机，提高汽车动力性能和燃油经济性。c.电池组。混合动力汽车配备了大容量的电池组，用于储存电动机所需的电能。这些电池通常安装在汽车底部或后部。d.控制系统。混合动力汽车中配备复杂的控制系统，用于协调燃油发动机和电动机之间的能量转移。控制系统会根据驾驶员的需求和汽车的行驶状态，自动切换燃油发动机和电动机的使用方式，以提高燃油经济性和减少排放。总的来说，混合动力汽车中各部件的协同作用使得混合动力汽车具有更高效、更环保、更节能的优势。

相对于具有内燃机的常规车辆而言，混合动力汽车本身结构、零件的变化体现在动力系统、辅助系统、车身与底盘系统中。a.动力系统。传统的内燃机动力车辆完全依靠发动机进行动力的供给，而混合动力车辆的基本工作模式则是由电动机、发动机共同驱动，又或者由其独立驱动。同时在混合动力车辆中增加了蓄电池，作为一个辅助发动机，为实现对制动能量予以最大程度的回收，混合动力汽车中增加了发电机装置，并在蓄电池中储存了制动能量所转化成的电能。此外，混合动力汽车通过对动力耦合装置的合理应用，进一步完成了功率合成和动力分配，使传动装置更加复杂。b.辅助系统。一般内燃机车辆的辅助装置必须利用引擎所提供的力量才能实现正常工作，主要包括水泵控制系统、冷却系统、空调压缩机装置等，这种电子辅助控制系统在混合动力车辆中由电力直接驱动，所以必须通过各种电力压缩机、压力油泵等才能保证各个系统进行正常工作。c.车身设计和底盘系统。由于动力系统、辅助体系变化，在一定程度上导致混合动力车辆的总体质量、负荷分配、行驶动力学特性等发生改变，为了更好地适应所出现的变化，混合动力汽车对自身的车身结构、底盘系统进行了改进。

3 振动噪声特性与控制措施

3.1 纯电模式附件噪声

混合动力汽车中的纯电模式是指车辆仅依靠电动机驱动，不使用燃油发动机的模式。在这种模式下，车辆的行驶速度较慢，行驶距离较短，同时也会产生一些附件噪声［2］。附件噪声主要来自电机、电子设备和泵等附件。其中，电机是纯电模式下主要的噪声源，电机在工作时会产生机械振动和电磁振动，导致车辆发出嗡嗡声或嘶嘶声等噪声。

3.2 电机噪声控制

混合动力汽车电机噪声控制是指通过一系列技术手段，消除或降低混合动力汽车电机在运行过程中产生的噪声，以提高驾驶舒适性和安静性。减小电机振动具体的控制措施有以下几种：a.通过优化电机结构和电机工作条件，减少电机振动，降低机械噪声和空气噪声，如采用减震器、加强电机定位等方法；b.通过磁场控制技术，优化电机磁场分布，减少电磁噪声，如采用无感控制技术、改善电机磁路结构等方法；c.改进电机内部机械部件的设计和制造工艺，减少机械噪声，如采用低噪声的轴承和齿轮、优化电机内部布局等方法。

噪声振动特性：混合动力汽车发动机启停冲击造成的噪声、振动主要是由以下原因造成的：a.发动机启动或停止时的机械冲击。混合动力汽车的发动机在启停时，由于燃油喷射、点火、气门和活塞等部件的突然变化，会产生机械冲击。这种冲击会导致发动机和车辆产生振动和噪音。b.发动机启动或停止时的燃油喷射声。发动机启动或停止时，燃油喷射会产生噪声，尤其是在寒冷天气或长时间停车后启动时，燃油喷射声更加明显。c.启停系统的工作原理。混合动力汽车的启停系统会自动控制发动机的启停，这种控制会带来一定的噪声和振动。d.发动机启停次数增加。混合动力汽车的发动机启停次数比传统汽车要多，这会增加车辆的噪声和振动［3］。

控制措施：使用基于加速度4次方的振动计量评价方法（VDV）实施起停冲击的度量。相对于其他评价方法而言，4次方振动计量评价方法对于冲击的峰值具有一定的敏感性，并对信号持续时间的影响进行全面的考虑，比较适用于冲击评价、度量，其计算公式为：

[VDV=01a4（t）dt1/4]

其中，VDV是振动计量值，而a（t）为进行加权计算的振动加速度时域信号值，t为时间。混合动力汽车的运行过程中，发动机的启动是在悬置有预载力矩的状态下产生的，换句话说就是悬置在有预载的状态下接受发动机启动的暂态力矩驱动，所以悬置刚度曲线要根据这种状态进行确定。表1是指混合动力汽车在原地静止不动时（也就好比传统汽车处于怠速的工况中）与行驶过程中发动机启动时转向盘、座椅的VDV值。通过分析表1中的数据可以发现，悬置刚度曲线在调整之后，转向盘振动VDV值显著降低，与乘客的主观感受相同。

3.3 升压电路系统

噪声振动特性：若要提高车辆的省油率和动力，通常把升压电路系统设计加入汽车中；而升压电路系统设计则会显著增加动力电压，用来改善汽车系统的输出功率和效能［4］。在混合动力车辆中的升压电路系统设计，一般含有DC/DC升压装置和电容等组成部分。这些组件在工作过程中都会产生噪声和振动，主要因素如下：a.电容器振动。电容器在工作过程中会产生震动，特别是在高频率下，这种震动会传递到周围的结构中，导致噪声和振动。b.电子元件噪声。升压电路中的电子元件（如晶体管、二极管等）在工作过程中会产生噪声，这些噪声会通过电路传递到周围的结构中。

控制措施：混合电动汽车中的升压电路系统是将电池电压提高到电动机所需电压的关键部件之一，但其工作中也会产生一定的噪声和振动。为了控制升压电路系统的噪声和振动，可以采取以下措施：a.优化升压电路系统的设计。通过优化升压电路的拓扑结构和元器件类型、布局等来减少电路噪声和振动的产生。b.选用低噪声、低振动的元器件。例如，采用低压降的MOS管、低ESR的电解电容和低噪声的电感器等元器件，可以有效降低电路系统的噪声和振动。c.采用隔离技术。在升压电路中加入隔离电路，能够有效隔离电路中的噪声和干扰，减少噪声和振动的传递。d.加强降噪处理。在升压电路系统上加装噪声滤波器、抑制器等降噪处理器件，能够有效减少电路的噪声和振动。e.优化系统控制策略。通过优化升压电路的控制策略，使电路的工作状态更加平稳，减少电路的振动和噪声。针对混合电动汽车中升压电路系统噪声、振动的问题，可以通过优化设计、选用低噪声、低振动的元器件、采用隔离技术、加强降噪处理、优化系统控制策略等一系列措施来减少噪声和振动的产生，提高电动汽车的驾驶舒适性和使用效果［5］。

3.4 动力耦合装置

振动噪声特性：混合动力汽车中的动力耦合装置是连接发动机和电动机的重要部件，它的主要作用是将两种动力源的输出协调地传递到车轮上，实现动力的平稳转移。但是，在运行过程中，动力耦合装置也会产生一定的噪声和振动，主要是因为以下几点：a.电机和发动机的输出不平衡。由于电机和发动机的输出特性不同，当它们同时作用于动力耦合装置时，会产生一定的不平衡力，导致动力耦合装置产生振动和噪声。b.传动轴的不平衡。传动轴是连接动力耦合装置和车轮的部件，如果传动轴的平衡不良，会导致动力耦合装置产生振动和噪声。c.车速和转速的匹配不良。当车速和转速无法匹配时，动力耦合装置会产生振动和噪声。例如，当车速过低时，动力耦合装置可能无法将电机和发动机的输出平稳传递到车轮上。d.动力耦合装置本身的结构和材料。动力耦合装置的结构和材料也会影响其噪声和振动的产生。如果动力耦合装置的结构不合理或材料质量不好，会导致动力耦合装置产生更多的振动和噪声。

控制措施：动力耦合装置的好坏对动力切换过程的工作效率、平稳性有着直接联系，对于混合动力汽车中动力耦合装置的噪声、振动可以通过三个方面来控制：a.优化设计。通过改善结构设计和优化材料选择，可以减少耦合装置的振动和噪声。例如，采用减震材料和降低传动力矩的结构设计等方式，可以减少耦合装置的振动和噪声。b.提高加工精度。通过提高加工精度，可以避免装配误差和不平衡，减少耦合装置的振动和噪声。c.采用主动噪声控制技术。通过在耦合装置上安装振动传感器和噪声传感器，实时监测振动和噪声的变化，并通过反馈控制系统调整电机和发动机的输出，以达到降低振动和噪声的效果。

3.5 悬挂系统

振动噪声特性：混合动力汽车悬挂系统振动噪声是指车辆行驶过程中，由于路面不平、车轮与路面的摩擦等因素所引起的悬挂系统振动和噪声。它主要表现为车身的颠簸、摇晃和噪声等，会影响乘坐舒适性和驾驶安全性。其悬挂系统振动噪声主要分布在20 Hz～1 kHz的频率范围内，在这个频率范围内，车轮与路面之间的摩擦会引起车辆的震动和噪声。同时，道路上的不平度会引起车轮的弹性变形，进而引起悬挂系统的振动和噪声，当车轮与路面之间的摩擦力发生变化时，会产生不稳定的振动和噪声。此外，悬挂系统的结构也会影响振动噪声的产生。在一些结构不合理的悬挂系统中，振动和噪声会更加明显。

控制措施：针对悬挂系统振动噪声特性，可以通过以下几个方面进行控制：a.优化悬挂系统的结构，减少悬挂系统的振动和噪声，例如采用更合理的悬挂系统结构，可以增加悬挂系统的减震性能，从而减少振动和噪声。b.在悬挂系统中使用减振器，可以有效地减少悬挂系统的振动和噪声，并在一定程度上降低悬挂系统的振动和噪声向车身的传递，而减振器可以将悬挂系统的振动削减一部分，从而减少振动和噪声的产生。c.通过优化轮胎的结构，可以减少轮胎与路面之间的摩擦及泵气效果，从而减少振动和噪声的产生。

4 结语

随着混合动力汽车的逐渐普及，噪声和振动控制成为制约其发展的重要因素。本文从混合动力汽车的噪声和振动特性入手，探讨有效的控制措施。通过优化设计、选择低噪声元器件、采用振动控制技术等多种手段，可以有效降低混合动力汽车的噪声和振动，提高其行驶舒适性和安全性，进一步推动混合动力汽车的发展。在未来的研究中，还可以进一步探索新的控制策略和技术，为混合动力汽车的噪声和振动控制提供更加完善的解决方案。

参考文献：

[1]程亚兵，杨泽宇，李岩，等.基于混合动力汽车正时齿形链系统的振动噪声特性[J/OL].吉林大学学报（工学版）：1-9[2023-04-19].

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[3]许林倩，岳志强.混合动力汽车噪声和振动特性及其控制[J].时代汽车，2020（21）：23-24.

[4]岳中英，刘玉龙，谢凯，等.混合动力汽车噪声和振动特性及其控制[J].汽车技术，2018（11）：27-31.

[5]徐铁，张露.深度混合动力汽车NVH问题研究进展[J].时代汽车，2017（16）：10-11.

作者简介：

刘杰，女，1982年生，高级工程师，研究方向为车辆工程。