1. 引言
随着我国生产制造水平的大幅提升以及汽车工业的快速进步，我国已经成为世界第一大汽车产销国。在第75届联合国大会上习近平主席宣布了“碳达峰”和“碳中和”发展目标 [1]。混合动力和电动汽车已被证明是确保改善燃油节约和减排的很好的解决方案。目前，混合动力系统大多基于串并联配置已得到快速发展和进步。与传统车辆相比，混合动力电动汽车具有最大限度地减少油耗和排放的潜力。但是，混合动力汽车具有新的部件、动力系统，传动系统及运行模式，虽然降低了传统内燃机的噪声水平，但结构的变化致使整车在振动噪声方面出现新的发展。FEV在混合动力系统的概念阶段布局，确保最佳的混合动力系统以及全球最优的运行策略，以降低噪声和提高NVH和驾驶员舒适性要求等软性要求。M Stapelbroek等 [2] 介绍了一种典型的分轴混合动力的概念开发与控制过程。Yue M Y等 [3] 针对性地列举了混合动力汽车存在的NVH问题，提出了振动噪声的传递路径控制方法。针对分体式串并联动力总成结构出现的共振问题，本论文主要分析一种在前期开发设计阶段的模态测试与目标设定方法，通过对混动总成表面激励源的降低，以减少共振和车内噪声传递的风险，达到降低车内噪声的目的。
2. 分体式混动总成NVH问题机理
混合动力汽车主要由发动机、发电机和电动机三种动力源组成。因此，发动机，电动机和发电机的多种不同组合会形成不同的动力源模式。混合动力汽车车内噪声产生机理如图1所示。
Pischinger S等 [4] 通过对传动系的多体模拟，有针对性地控制电机来减少其低频振动。Zhao等 [5] [6] [7] 通过从噪声和振动激励源、模态分布、传递路径、评估方式等方面研究控制方法，分析和解决了产品开发过程中的NVH问题，为控制混合动力电动汽车的噪声和振动性能提供了明确的工作方向。
假设混动汽车将受到m个激励力作用，而每一个激励力包含x、y、z三个方向的分量，每个分量对应n个特定传递路径，因此激励力分量和对应的某个传递路径就会形成一个系统响应分量。将车内噪声声压看作系统响应，假设该系统为线性系统，由结构力输入而形成的声压或振动表示为：
Figure 1. Interior noise transmission path of hybrid electric vehicle
图1. 混合动力总成车内噪声传递路径
(2-1)
式中
是传递函数，
是激励力。
从式(2-1)可知辨别激励源与传递路径是解决声压与振动的主要方向。结构振动的频率和幅度一旦发生较大的变化，尤其是在车辆高速行驶的现状，将会进一步导致噪声的产生，控制激励源是降低噪声提高汽车NVH性能最根本的措施。
3. NVH测试结果分析
针对某HEV混动车在4000 rpm左右的转速时，车内会产生明显的轰鸣声，车身抖动严重，与车身结构以及动力总成有很大的联系。初步评估为动力总成混动总成机电耦合器模态低，刚度不足，引起一阶弯曲模态共振，因此需对现动力总成做了模态设定目标值，以做刚度提升。
首先针对样车在发动机转速为4000 rpm时车内抖动及轰鸣严重这一现象，对标车型三组不同的动力总成组合下的一阶弯曲模态进行了测试，分别为：1) 对标总成LV5：某车型LV5；2) 对标总成LV1：某车型LV1；3) 开发车型：HEV总成LV1。HEV动力总LV1的ODS及整车边界模态测试布点如下图2所示。
(a) 底部视角1~7# 
(b) 顶部视角8~12#
Figure 2. Layout LV1 of HEV with the vehicle boundary test
图2. HEV动力总成LV1及整车边界模态测试布点
通过测试，发现对标总成LV5配置的一阶弯曲模态为165 Hz，对标总成LV1配置的一阶弯曲模态为156 Hz，而开发车型HEV动力总成LV1的一阶弯曲模态只有138 Hz，其模态测试如图3所示。在主观感受方面，HEV总成LV1在发动机4000 rpm左右的转速时，轰鸣声车内感知明显，而对标总成LV1在发动机4000 rpm左右时，车内轰鸣不明显。对标总成LV5在发动机4000 rpm左右的转速时，轰鸣声最小，主观体验舒适，说明动力总成的一阶模态是影响车内轰鸣声的主要因素。因此，对所开发车HEV动总LV1需要从增强结构刚度以及加强个部件之间的连接提升动力总成的一阶弯曲模态，进而改善这一振动噪声问题。
(a) 对标总成一LV5配置 
(b) 对标总成二LV1配置 
(c) 开发车型HEV总成LV1配置
Figure 3. First order bending modal of three different powertrain combinations
图3. 三组不同动力总成组合的一阶弯曲模态测试图
4. 混动总成刚度提升与激励源避频
4.1. 刚度提升
通过模态理论分析，结构的模态与其刚度是成正比关系的，因此提升混动总成的模态先做刚度提升，以满足HEV总成LV1的一阶弯曲模态的设计要求。
经过分析研究，发现对油底壳部件进行局部的特征加强，可以提高整个总成结构的模态，并对减轻重量有一定的帮助。原方案数模如下图4(a)所示，为了提升一阶弯曲模态设计了三种方案，分别为：
方案一：将油底壳改成铝合金材质；
方案二：在两电机之间采用支架连接；
方案三：油底壳改成铝合金材质且在两电机之间采用支架连接，即为方案一与方案二的组合。三种方案如下图4所示。
4.2. 模态优化与避频
根据测试结果，在4000 rpm左右的转速时，HEV总成LV1一阶弯曲模态为138 Hz，有限元仿真时，动力总成的自由模态乘以1.3~1.5系数换算成约束模态，在此取1.5。仿真的自由模态应大于210 Hz时可以达到避频的目的。
(a) 方案一 
(b) 方案二 
(c) 方案三
Figure 4. Three optimization schemes for design
图4. 三种优化设计方案
对动力总成模型进行有限元分析，采用四面体C3D4网格对改模进行划分，尺寸3 mm，壳体材料采用非线性材料，各连接螺栓采用刚性耦合连接，各轴承位轴承外圈外表面与壳体做接触，内表面刚性耦合在一个点。对三个悬置点设置其悬置刚度，按350 N/mm进行约束定义，如下图5所示。其余各组成部分的质量输入按表1所示进行设置。
Figure 5. Finite element model of HEV powertrain
图5. 动力总成有限元模型
Table 1. The finite element of input mass (Kg)
表1. 有限元各部分输入质量(Kg)
经过仿真分析，HEV总成LV1原方案的一阶弯曲模态为142 Hz，二阶模态为223 Hz，属于偏低状态。方案1的一阶弯曲模态为148 Hz，二阶模态为232 Hz；方案2的一阶弯曲模态为180 Hz，二阶模态为244 Hz；方案3的一阶弯曲模态为199 Hz，二阶模态为278 Hz，其有限元的一阶模态和二阶模态分别如图6和图7所示。结果表明原方案以及三种由优化设计的方案一阶弯曲模态都没有达到210 Hz的设计要求。
通过进一步的研究发现，提高DHT壳体的刚度，可以提高HEV总成LV1的一阶弯曲模态。针对这个部件设计了三种方案：新方案1：增加加强筋，新方案2：加强筋+加强连接边；新方案3：优化壳体结构。如下图8所示。
(a) 原方案 
(b) 方案1 
(c) 方案2 
(d) 方案3
Figure 6. First order bending modes of three schemes
图6. 三种方案的一阶弯曲模态
(a) 原方案 
(b) 方案1 
(c) 方案2 
(d) 方案3
Figure 7. Second order modal diagrams for three schemes
图7. 三种方案的二阶模态图
(a) 初始方案 
(b) 新方案1：增加加强筋 
(c) 新方案2：加强筋 + 加强边 
(d) 新方案3：壳体结构
Figure 8. The original scheme of DHT shell and three new design schemes
图8. DHT壳体的原方案以及三种新设计方案
再将这三种方案分别与4.1节所述的三种方案进行组合计算自由模态，其中新方案2与4.1中的方案2与方案3组合，并在两电机间用铝支架连接。其他2种新方案电机间支架均是采用虚拟连接来模拟。每个组合的一阶弯曲模态如图9所示，二阶模态如图10所示。
分析结果如表2所示，通过对比分析，采用新方案3与两电机间加支架&材料改成铝壳的组合后，一阶弯曲模态能达到210 Hz的避频要求。二阶弯曲模态也能达到292 Hz以上，所以基本上都能实现混动总成的模态解耦。
5. 结果验证
采用新方案3的DHT壳体、两电机间支架连接以及油底壳改成铝壳的组合的方式，实施到样车上进行试验验证，观察其是否对在4000 rpm左右的转速时，车内会产生明显的轰鸣声，车身抖动严重问题有较大改善。
将麦克风放置在前排、中排、第三排位置，在方向盘、座椅导轨测试其振动效果。
通过实车测试，当发动机转速4000 rpm以上，对应车速为60 km/h，如图11所示，新方案3的绿线总声压级与二阶噪声于20~80 Hz间差值在均为15 dB (A)以上，相比之前状态(红线)，车内轰鸣降低了1~2 dB (A)。主观评价地板及方向盘不抖，主观评价符合开发要求。如图12所示，将整车放在举升机上，在动力总成上布置12个测点进行模态测试。结果表明，混动总成的一阶弯曲模态为提升为205 Hz，相比初始状态的138 Hz，提升了67 Hz，与仿真结果的211 Hz非常接近。不仅实现了混动总成的解耦，且验证了仿真结果的可靠。如图13，混动总成的传递函数在205 Hz有峰值，相位有变化，也充分说明混动总成的固有频率提高到了205 Hz，能实现混动总成的避频与隔振要求。如14，倒挡50%油门加速工况，也无明显啸叫，车内没有出现啸叫的阶次噪声。同时，主观评价4000 rpm的车内噪声也达到接受水平。
Figure 9. First order bending modal cloud diagram of hybrid assembly
图9. 混动总成一阶弯曲模态云图
Figure 10. Second order modal cloud diagram of hybrid assembly
图10. 混动总成二阶模态云图
Table 2. First order bending mode and second order mode at different group schemes
表2. 各组合一阶弯曲模态与二阶模态
Figure 11. Sound pressure diagram at DG-WOT condition
图11. DG-WOT工况–车内声压测试图
Figure 12. First order bending modal of powertrain test
图12. 动力总成一阶弯曲模态测试图
Figure 13. Powertrain transfer function diagram
图13. 动力总成的传递函数图
6. 结论
本文通过对HEV混动总成的模态共振问题分析，以刚度提升的策略，结合仿真分析与试验验证解决了车内轰鸣的问题，主要有以下结论：
1) 提出了一种测试与仿真相结合解决HEV混动总成LV1共振的方法。经过测试发现混动总成一阶弯曲模态仅为138 Hz，没有达到开发目标要求的210 Hz。
2) 采用刚度提升的策略，并以仿真优化的方式提升了混动总成的一阶模态。通过有限元分析和方案组合，分析出了采用DHT壳体、两电机间加支架连接以及油底壳改成铝壳的组合方案，一阶弯曲模态达到了211 Hz。
3) 试验结果表明所提出的方法解决了HEV总成LV1的共振问题。新方案3在混动总成在4000 rpm左右的转速时，20~80 Hz范围内振动降低了15 dB以上，并无啸叫音，达到了接受水平。
致谢
感谢上汽通用五菱汽车股份有限公司、孔辉科技和湖南大学相关领导、工程师和研究生在问题分析与解决中提供的大力支持。
基金项目
广西创新驱动重大专项(桂科AA19182003)，广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2022KY1412)。