雙模車傳動系扭振及齒輪敲擊分析和優(yōu)化

楊冬生 白云輝 趙敏 孫浩

摘 要：傳動系扭振對發(fā)動機激勵較為敏感 若引起共振 會在車內(nèi)產(chǎn)生轟鳴聲 影響車內(nèi)聲振舒適性。同時 也會增加變速器齒輪敲擊的風(fēng)險。文章通過多體動力學(xué)軟件Adams分析某款搭載E-CVT的雙模車傳動系扭振 即分析雙質(zhì)量飛輪主、次級盤角加速度波動來判斷是否存在扭振風(fēng)險 同時 通過能量法判斷變速器齒輪敲擊風(fēng)險的大小 并給出優(yōu)化建議 以降低變速器齒輪敲擊風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：扭振;雙質(zhì)量飛輪;齒輪敲擊;優(yōu)化

中圖分類號：U462? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-78-03

Abstract： The torsional vibration of the drive train is more sensitive to engine excitation. If resonance occurs， it will produce roaring sound， affecting the comfort of the acoustic vibration. At the same time， it will also increase the risk of transmission gear rattle. This paper analyzes the torsional vibration of a dual-mode vehicle drive system equipped with E-CVT， that is， analyzing the angular acceleration fluctuations of the primary and secondary disks of the dual-mass flywheel to determine whether there is torsional vibration or not. Besides， Energy method is used to evaluate the transmission gear rattle risk and optimization suggestions are raised to reduce the risk of transmission gear rattle.

Keywords： Torsional vibration; Dual mass flywheel; Gear rattle; Optimization

CLC NO.： U462? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-78-03

引言

汽車動力傳動系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、變速器、雙質(zhì)量飛輪、差速器、傳動半軸和車輪等部件 是以旋轉(zhuǎn)運動為主的扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)。扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動是車輛振動的一種主要形式 是影響車輛NVH性能的一個重要因素 特別是針對新能源的雙模車更是如此。當(dāng)傳動系發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振時 會導(dǎo)致車輛零部件可靠性降低 引起車身垂向和縱向振動 對車輛的乘坐舒適性有重要影響[1]。

扭振的較大變化會導(dǎo)致嚴(yán)重的空套齒輪敲擊問題 而通過齒輪敲擊能量可定量評價空套齒輪敲擊風(fēng)險[2] 為進一步做出優(yōu)化措施奠定基礎(chǔ)。

本文通過Adams軟件分析傳動系扭振 并基于敲擊能量法判斷傳動系空套齒是否存在敲擊風(fēng)險 由此來確定進一步的優(yōu)化措施。

1 傳動系模型的建立與分析

1.1 傳動系模型的建立

利用Adams軟件創(chuàng)建傳動系模型 傳動系模型包含：發(fā)動機、DMF、離合器、E-CVT變速器、傳動半軸、輪胎等;需根據(jù)實際的幾何尺寸創(chuàng)建 創(chuàng)建后的模型如圖1所示：

模型創(chuàng)建后 還需將各個部件的慣量和質(zhì)量賦予給模型中的部件[3] 可通過UG測出各個部件的轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量。

1.2 傳動系連接關(guān)系的創(chuàng)建

連接關(guān)系主要包括雙質(zhì)量飛輪的剛度和遲滯、變速器齒輪的嚙合和傳動、半軸的剛度、萬向節(jié)的連接等 根據(jù)DMF設(shè)計值在Adams軟件中創(chuàng)建DMF主、次級盤之間的剛度和遲滯 創(chuàng)建后如圖2所示：

變速器齒輪的嚙合和傳動可通過耦合副和齒輪副的嚙合剛度來創(chuàng)建[4] E-CVT傳動數(shù)模如圖3所示：

具體的齒輪對嚙合剛度如表1所示：

傳動半軸剛度、萬向節(jié)剛度可通過有限元軟件計算得出 此處不再贅述。

1.3 激勵的施加

此處激勵指的是發(fā)動機缸壓 將缸壓值分別施加到發(fā)動機四個活塞缸。發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)如表2所示：

發(fā)動機缸壓曲線如圖4所示：

將缸壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Adams中 導(dǎo)入后的曲線如圖5所示：

1.4 扭振分析

E-CVT工作模式有串聯(lián)、并聯(lián)、發(fā)動機直驅(qū) 此處選擇發(fā)動機直驅(qū)—TM不驅(qū)動、GM不發(fā)電的工況 此時R1、R2皆為空套齒 扭振和敲擊的風(fēng)險最高。

對所建Adams模型求解 得到雙質(zhì)量飛輪工作角度 如圖6所示：

由圖6可知 在車輛平穩(wěn)運行中 DMF主要工作角度在20°左右 處于雙質(zhì)量飛輪剛度的第二階段 滿足一般規(guī)律[5]。

雙質(zhì)量飛輪主、次級盤轉(zhuǎn)速波動 如圖7所示：

由圖7可知 DMF主、次級盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定增加 無明顯波動。

由Barthod[6]建立的變速器傳動試驗臺架測試結(jié)果知：發(fā)動機二次諧波激勵頻率幅值越高 變速器產(chǎn)生敲擊的可能性越大;在發(fā)動機二次、四次和六次諧波同時激勵下 二次諧波幅值對于產(chǎn)生敲擊貢獻值最大。

故通過軟件LMS Test Lab提取出雙質(zhì)量飛輪主、次級盤2階角加速度波動（P-P） 求解并提取 結(jié)果如圖8所示：

由扭振結(jié)果可知 DMF主、次級盤皆滿足目標(biāo)值要求 初步評估為無風(fēng)險。

1.5 空套齒輪敲擊分析

扭振分析只能初步評估齒輪是否有敲擊風(fēng)險 但齒輪敲擊并不完全取決于扭振 還需通過敲擊能量進一步對空套齒輪敲擊風(fēng)險作出評估。

在Adams中得到敲擊功率不能直觀或量化的去衡量齒輪是否存在敲擊 需通過Matlab或Excel對數(shù)據(jù)做進一步的處理 即敲擊功率對時間積分 按照曲軸每轉(zhuǎn)過720度為一個時間積分周期 以此來獲得敲擊能量。通過數(shù)據(jù)提取后的敲擊能量如圖9所示：

根據(jù)文獻[2] 判斷變速器是否發(fā)生敲擊是所有空套齒輪敲擊能量之和 即圖中的淺綠色曲線所示。根據(jù)文獻所述 若變速器空套齒敲擊能量之和大于0.08J 則有敲擊風(fēng)險;若小于0.08J 則無敲擊風(fēng)險。由圖7曲線可明顯得出變速器有敲擊風(fēng)險 且風(fēng)險很高 需進行優(yōu)化 以期降低到目標(biāo)值以下。

2 優(yōu)化分析

根據(jù)以往經(jīng)驗 在硬件不能更改的前提下 主要是針對控制策略方面提出優(yōu)化建議。

控制策略方面最有效的是給TM電機施加初始扭矩 迫使空套齒一直處于嚙合狀態(tài) 以降低空套齒敲擊風(fēng)險。

此處給定TM初始扭矩為5Nm 求解分析后空套齒敲擊能量如圖10所示：

由圖10可明顯看出 空套齒輪敲擊能量之和遠(yuǎn)低于0.08J 齒輪無敲擊風(fēng)險。

此外 也可通過修改硬件來降低齒輪敲擊風(fēng)險 如：修改雙質(zhì)量飛輪剛度及主次級盤慣量、傳動半軸剛度、電機定子慣量、曲軸慣量等。

3 小結(jié)

本文利用Adams軟件創(chuàng)建含有E-CVT的傳動系多體動力學(xué)模型 通過LMS Test Lab提取出雙質(zhì)量飛輪主、次級盤二階角加速度波動 以此評估扭振是否滿足目標(biāo)值要求。而后利用Matlab或Excel將敲擊功率對時間進行積分 獲得隨轉(zhuǎn)速變化的空套齒輪敲擊能量 并與目標(biāo)值0.08J做對比 判斷變速器是否存在敲擊風(fēng)險。若有風(fēng)險 則可通過硬件或軟件消除敲擊風(fēng)險。硬件方面 如修改雙質(zhì)量飛輪剛度及主次盤慣量、傳動半軸剛度、電機定子慣量、曲軸慣量等;軟件策略方面 如TM或GM施加初始扭矩等。

本文通過策略方面 降低了變速器空套齒輪敲擊風(fēng)險 后續(xù)設(shè)計可根據(jù)此文進行變速器敲擊的優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻

[1] Farshidianfar A， Ebrahimi M，Bartlett H.Hybrid Modeling and Simulation of the Torsional Vibration of Vehicle Driveline Systems [J].Proc Instn Mech Engrs，2001（215）：217-229.

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