混合動力汽車多動力源耦合傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振控制方法

金鑫君

摘 要：為減小多動力源耦合傳動系統(tǒng)中存在的扭轉(zhuǎn)共振危害，保障車輛動力傳動系統(tǒng)安全可靠運行，提高復(fù)雜機電系統(tǒng)的可靠性，本文以系統(tǒng)復(fù)雜、耦合程度高的混合動力汽車為研究對象，提出了一種多動力源耦合傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振控制方法。其間通過比較傳動系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的扭振是否落入各零部件固有振動頻率范圍來控制動力源轉(zhuǎn)速和動力源狀態(tài)，從而建立扭轉(zhuǎn)共振回避控制方法。結(jié)果表明，在傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振控制方法的基礎(chǔ)上，利用采集的振動信號與零部件中的固有頻率進行比較計算，比較有效地減少共振發(fā)生的次數(shù)。

關(guān)鍵詞：扭振;油電混合動力;扭轉(zhuǎn)共振;控制

中圖分類號：U463.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0039-04

Abstract： In order to reduce the torsional resonance hazard in the multi-power source coupling transmission system， ensure the safe and reliable operation of the vehicle power transmission system， and improve the reliability of the complex electromechanical system， this paper took the hybrid electric vehicle with complex system and high coupling as the research object， and proposed a torsional resonance control method for a multi-power source coupling transmission system. In the meantime， by comparing whether the torsional vibration of the transmission system under different working conditions falls into the natural vibration frequency range of each component， the speed of the power source and the state of the power source were controlled， thereby establishing a torsional resonance avoidance control method. The results show that， based on the torsional resonance control method of the transmission system， using the collected vibration signal to compare and calculate with the natural frequency of the parts can effectively reduce the number of resonance occurrences.

Keywords： torsional vibration;hybrid electric vehicle; torsional resonance;control

混合動力汽車搭載至少兩套驅(qū)動系統(tǒng)，無論在動力性能上還是續(xù)航里程上，都明顯優(yōu)于單一動力源的純電動汽車和內(nèi)燃機汽車?；旌蟿恿ζ嚦Ｒ姷尿?qū)動類型為油電混合動力，包括電驅(qū)動系統(tǒng)和內(nèi)燃機驅(qū)動系統(tǒng)，兩個不同性質(zhì)的動力源針對不同的驅(qū)動系統(tǒng)，兩個不同的驅(qū)動系統(tǒng)則通過機電耦合實現(xiàn)高度集成?；旌蟿恿鲃酉到y(tǒng)為車輛傳遞動力扭矩的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其傳遞路徑、耦合程度以及響應(yīng)速度等影響著車輛的舒適性、動力性、經(jīng)濟性和安全性。

混合動力汽車動力耦合通常采用行星機構(gòu)動力耦合，豐田THS系統(tǒng)采用兩個電機（MG1、MG2）、一個行星齒輪、一個離合器對不同動力源的動力扭矩進行耦合。黃海瑞分析了客車行星混聯(lián)式多動力源耦合系統(tǒng)中存在的行星齒輪機構(gòu)的非線性動力學問題與電機快速響應(yīng)特性均可能惡化傳動系統(tǒng)的扭振狀況[1];于?？笛芯磕砅2構(gòu)型并帶有CVT變速器的混合動力SUV的CVT變速器動力學特性[2];鐘必清等人針對某混聯(lián)式客車動力傳動系統(tǒng)，在典型工況下進行臺架試驗，使用動力學參數(shù)識別和發(fā)動機激勵轉(zhuǎn)矩修正的方法仿真和分析混合動力傳動系統(tǒng)扭振的力學性能[3]。孟德建等人針對發(fā)動機、電動機和行星齒輪系等子系統(tǒng)組成的混聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)，建立了混合動力驅(qū)傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)動力學模型，研究在純電動、混合動力和停車充電工作模式下系統(tǒng)的固有特性和瞬態(tài)響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整車加速度瞬態(tài)響應(yīng)與激勵源干擾力矩的頻率成分相同，在啟動電機工作階段和停機階段低轉(zhuǎn)速運行時，轉(zhuǎn)矩波動引起的整車縱向振動較大，模式切換造成激勵源轉(zhuǎn)矩突變，行星齒輪系統(tǒng)的角加速度波動幅值明顯增大[4]。韓清振在并聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過拉格朗日方法建立了對應(yīng)的當量化模型，嘗試在并聯(lián)模式下探究傳動系統(tǒng)平衡點的穩(wěn)定性[5]。有研究針對小型2缸內(nèi)燃機并聯(lián)式混合動力汽車的動力系統(tǒng)，提出了一種模型預(yù)測控制器（Model Predictive Controller，MPC）對傳動系統(tǒng)進行主動減振[6-8]。還有研究分析了傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動過程中共振固有頻率的特性[9-10]。其目的是減小多動力源耦合傳動系統(tǒng)中存在的扭轉(zhuǎn)共振，保障車輛傳動系統(tǒng)安全可靠運行。由于混合動力汽車傳動系統(tǒng)集成了變速器、行星齒輪機構(gòu)、驅(qū)動電機等復(fù)雜機構(gòu)，工作狀態(tài)更為復(fù)雜，振動和噪聲問題更為突出，因此，研究多動力源耦合傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振控制方法具有重要的意義。

本文以某混合動力汽車多動力源耦合傳動系統(tǒng)（豐田THS系統(tǒng)，采用兩個電機，即MG1、MG2）作為研究對象，在不同工況（低速啟動、勻速行駛、急加速和減速制動）下，建立傳動系統(tǒng)中組件的共振固有頻率模型和動力學模型架構(gòu)，提出針對扭轉(zhuǎn)振動引起的共振控制方法。

1 混合動力汽車傳動系統(tǒng)的動力學模型

混合動力汽車傳動系統(tǒng)動力源包括內(nèi)燃機和驅(qū)動電機，從內(nèi)燃機輸出的扭矩經(jīng)過扭轉(zhuǎn)減振器，再進入行星組件，發(fā)電機MG1與行星組件中太陽輪相連，驅(qū)動電機MG2與固定速比的變速器輸入軸連接。行星組件作為動力耦合裝置，各傳動路徑上的扭矩進行耦合，其中，發(fā)電機MG1和驅(qū)動電機MG2都可對車輛進行驅(qū)動，發(fā)動機可以驅(qū)動車輛或帶動發(fā)電機MG1進行發(fā)電，同時發(fā)電機MG1進行發(fā)電能夠啟動內(nèi)燃機。根據(jù)混合動力車輛部件連接關(guān)系，建立混聯(lián)式混合動力扭矩傳遞構(gòu)型，如圖1所示。

整車動力部件參數(shù)均進行參數(shù)匹配設(shè)計，驅(qū)動電機MG2與動力電池的逆變器連接，車輛純電動模式工況進行工作時，由驅(qū)動電機MG2帶動固定速比變速箱，在驅(qū)動行星組件中，由行星架直接輸出動力至車輛驅(qū)動半軸。

綜合考慮傳動部件的質(zhì)量、布置形式等，根據(jù)集中質(zhì)量法建立系統(tǒng)動力學方程，假設(shè)傳動系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)動慣量均為剛性圓盤，各剛性圓盤之間由無質(zhì)量扭簧阻尼器連接，剛度和阻尼均設(shè)置為扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼。

以系統(tǒng)能量保持不變?yōu)樵瓌t，將傳動部件簡化為多自由度集中質(zhì)量模型，建立相應(yīng)動力學方程：

式中，[I]、[C]、[K]分別為傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動慣量矩陣、阻尼系數(shù)矩陣、剛度系數(shù)矩陣;[θ¨]、[θ]、[θ]分別為傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)角加速度向量、扭轉(zhuǎn)角速度向量、扭轉(zhuǎn)角位移向量;[M]為激勵力矩向量。

建立傳動系統(tǒng)無阻尼自由振動方程，忽略激勵力矩矩陣向量與阻尼系數(shù)，即自由振動方程為：

假設(shè)傳動系統(tǒng)自由振動第[i]階固有頻率為[ωi]，其模態(tài)振型為[φi]，那么扭振的角位移為：

經(jīng)進一步計算，系數(shù)矩陣行列式為0，即

計算行列式，即可求解。

2 行星耦合器的動力學模型

根據(jù)驅(qū)動電機MG2-變速器-行星組件、內(nèi)燃機-發(fā)電機MG1-行星組件不同傳動路徑上的連接關(guān)系和運動關(guān)系，建立整車傳動系統(tǒng)各組件的無阻尼自由振動動力學方程，再建立整車傳動系統(tǒng)的無阻尼自由振動矩陣。

由于動力耦合在行星組件，建立行星組件的拉格朗日算子，即

式中，[L]為拉格朗日算子;[I'c]為等效行星架轉(zhuǎn)動慣量;[Ia]、[Is]、[Ir]分別為行星輪、太陽輪、齒圈的轉(zhuǎn)動慣量;[θc]、[θs]、[θr]分別為行星架、太陽輪、齒圈的轉(zhuǎn)速;[θacj]為第[j]個行星輪相對行星架轉(zhuǎn)速，共有[n]個行星輪;[kar]、[ksa]分別為行星輪與齒圈齒輪副、太陽輪與行星齒輪齒輪副的平均嚙合剛度;[Ra]、[Rs]、[Rr]為行星輪、太陽輪、齒圈的半徑;[θacj]為第[j]個行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)角;[Rac]、[Rca]為行星輪和齒圈的平均半徑;[θc]、[θs]、[θr]為行星架、太陽輪、齒圈的轉(zhuǎn)角。

針對拉格朗日算子微分，即可計算各部件無阻尼動力學方程。

3 扭轉(zhuǎn)共振控制方法

混合動力汽車動力性強，大功率、高轉(zhuǎn)速車輛通常采用多個動力源的混合動力，且配備大功率柴油機、電動機和復(fù)雜的動力傳動系統(tǒng)，在這一類車輛上，不同傳動軸在傳遞扭矩時通常會出現(xiàn)頻繁的共振頻率點，而依靠回避“共振點”的方法通常難度大。

改變車輛行駛過程中動力源的工作狀態(tài)，回避部件扭轉(zhuǎn)耦合過程中扭振帶來的共振問題，能夠有效減少噪聲和系統(tǒng)間的不穩(wěn)定性，而扭轉(zhuǎn)共振控制方法包括三步驟。

首先，建立不同擋位下不同傳動路徑下各零部件固有振動頻率[f]的矩陣[A]，其中，[n]為第[n]個擋位，[m]為第[m]個傳動零部件。

然后，建立不同動力模式驅(qū)動下不同階數(shù)扭振的諧振激勵頻率[ff]的矩陣[B]，其中，[p]為第[p]種動力模式驅(qū)動，[k]為第[k]階諧振激勵頻率。

最后，在第[x]種擋位，第[i]種動力模式驅(qū)動下的第[j]階扭振的諧振激勵頻率[ffij]，若滿足式（8）條件，[[fx-δ，fx+δ]]為能夠引起共振的上下邊界頻率，且[ffij]處于該區(qū)間，時間達到[Δt]，則改變動力源工作狀態(tài);若滿足式（9）條件，[[fx-δ，fx+δ]]為能夠引起共振的上下邊界頻率，且[ffij]處于該區(qū)間，時間達到[Δt]，則維持動力源工作狀態(tài)。

由于車輛在不同擋位下的動力輸出至不同傳動路徑，而為了更好地識別不同擋位針對不同傳動路徑的固有頻率，先統(tǒng)計不同傳動路徑的固有頻率數(shù)值，后針對該傳動路徑下的固有頻率進行分解。

在油電混合兩種動力源驅(qū)動的車輛中，在電機單獨驅(qū)動下，當扭轉(zhuǎn)振動的1、2、3、4次諧振激勵頻率范圍接近傳動系統(tǒng)固有頻率時，[δ]取值介于1～100 Hz，當接近1～5 Hz時，啟動內(nèi)燃機，從而改變工作模式，有效避開共振點。若油電混合動力同時驅(qū)動車輛，則當扭轉(zhuǎn)振動的1、2、3、4次諧振激勵頻率范圍接近傳動系統(tǒng)固有頻率時，停止其中之一動力源的輸出，從而改變振動頻率，有效避開共振點。

4 結(jié)論

通過分析混合動力汽車動力傳遞構(gòu)型，本文研究了如何減小多動力源耦合傳動系統(tǒng)中存在的扭轉(zhuǎn)共振，保障車輛動力傳動系統(tǒng)安全可靠運行。混合動力汽車傳動系統(tǒng)集成了變速器、行星齒輪機構(gòu)、驅(qū)動電機等復(fù)雜機構(gòu)，工作狀態(tài)更為復(fù)雜，振動和噪聲更為突出?；诖?，筆者提出了一種針對混合動力汽車的扭轉(zhuǎn)共振控制方法，通過比較工作狀態(tài)下扭振是否落入各零部件固有振動頻率范圍來控制動力源轉(zhuǎn)速和動力源狀態(tài)，其比較有效地降低傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振發(fā)生的次數(shù)，未來要進一步在更多數(shù)據(jù)情況下研究模型預(yù)測的準確性?？傊?，如何測量和分解混合動力系統(tǒng)不同部件引起的共振固有頻率，構(gòu)建扭轉(zhuǎn)共振檢測模型和系統(tǒng)，是進一步研究的方向。

參考文獻：

[1]黃海瑞.行星混聯(lián)式混合動力客車傳動系扭振特性分析與仿真研究[D].長春：吉林大學，2019：22-24.

[2]于?？?CVT混合動力汽車傳動系統(tǒng)扭振分析與控制[D].長春：吉林大學，2019：18-19.

[3]鐘必清，侯之超，趙韓，等.混合動力汽車傳動系扭振力學參數(shù)的試驗獲取方法[J].清華大學學報（自然科學版），2019（6）：482-489.

[4]孟德建，陳文龍，張立軍，等.典型工況與工作模式下混聯(lián)式混合傳動系統(tǒng)振動分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2018（9）：1270-1280.

[5]韓清振.混合動力傳動系統(tǒng)復(fù)雜動力學行為及其穩(wěn)定性分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2018：15-16.

[6]Vadamalu R S，Beidl C.MPC for Active Torsional Vibration Reduction of Hybrid Electric Powertrains[J].IFAC PapersOnLine，2016（11）：756-761.

[7]Vadamalu R S，Beidl C.Adaptive Internal Model-based Harmonic Control for Active Torsional Vibration Reduction[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019（99）：1.

[8]Najafzadeh M，Adeli M M，Zarezadeh E，et al.Torsional vibration of the porous nanotube with an arbitrary cross-section based on couple stress theory under magnetic field[J].Mechanics Based Design of Structures and Machines，2020（6）：1-15.

[9]夏煬志強，秦大同.基于低耗齒輪的大速比行星齒輪傳動固有特性及振動分析[J].振動與沖擊，2018（2）：242-247.

[10]蔡敢為，黃院星，黃逸哲，等.彎扭耦合共振式振動時效的參激穩(wěn)定性分析[J].振動與沖擊，2018（20）：101-108.