DM-i超級混動構(gòu)架限扭器匹配關(guān)鍵技術(shù)研究

陳祥禎，田蜀東，武貴洋

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司 產(chǎn)品規(guī)劃及汽車新技術(shù)研究院，廣東 深圳 518118)

0 前言

主流汽車廠和新勢力車企都開始大力布局純電動、混合動力汽車。其中，最新的、主流的混合動力方案是發(fā)動機保持在高效區(qū)發(fā)電，供應(yīng)電池存儲或驅(qū)動電機,電機負責(zé)整車驅(qū)動，降低整車能耗和排放。

比亞迪的DM-i超級混動構(gòu)架則在該方案的基礎(chǔ)上進一步加強，以電為主，圍繞大功率電機驅(qū)動和大容量動力電池供應(yīng)，以發(fā)動機為輔，組成電混構(gòu)架。該動力構(gòu)架可以根據(jù)實際工況需求進行純電、串聯(lián)、并聯(lián)和直驅(qū)行駛，油耗低能帶來純電般的駕駛體驗，同時也能保障強大的動力輸出。該動力構(gòu)架與傳統(tǒng)動力相比，最主要的區(qū)別是取消了傳統(tǒng)動力的離合器，發(fā)動機和電混系統(tǒng)(EHS，發(fā)電系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)集成總成)通過配單質(zhì)量飛輪和帶限扭作用的扭轉(zhuǎn)減振器(以下簡稱“限扭器”)直接連接，其示意圖如圖1所示。

圖1 DM-i超級混動構(gòu)架示意圖

DM-i超級混動構(gòu)架中發(fā)動機、限扭器、發(fā)電機減速器和發(fā)電機組成的動力鏈主要負責(zé)發(fā)電，提供整車需求電量；在巡航或者大扭矩需求時，發(fā)動機可以并聯(lián)參與驅(qū)動；另外，發(fā)動機還提供暖機制熱等功用。整車使用過程中，發(fā)動機頻繁啟停、怠速暖機、發(fā)電或驅(qū)動行車，都會帶動減速器和發(fā)電機大慣量件隨之轉(zhuǎn)動，整個傳動系的瞬態(tài)沖擊、穩(wěn)態(tài)敲擊和隔振風(fēng)險都大于傳統(tǒng)動力，因此限扭器的匹配就格外重要。尤其是啟動到怠速過程，傳統(tǒng)動力汽車由于具有離合器分離，只有曲軸飛輪轉(zhuǎn)動，其扭轉(zhuǎn)模態(tài)也高，不會被激勵起啟停過程和怠速過程的低頻扭轉(zhuǎn)共振，也不存在齒輪瞬態(tài)沖擊等。

針對DM-i超級混動構(gòu)架的特殊性，結(jié)合某車型開發(fā)過程中遇到的啟動和怠速等工況扭振敲擊問題，進行限扭器匹配的關(guān)鍵影響因子研究，并提出優(yōu)化方向。

1 限扭器仿真建模

基于AMESim軟件建立該DM-i車型動力傳動系仿真模型[1]，主要包括發(fā)動機、限扭器、發(fā)電機減速器、發(fā)電機、驅(qū)動電機減速器、驅(qū)動電機、動力懸置系統(tǒng)和整車模塊。研究限扭器阻尼、剛度和轉(zhuǎn)動慣量等關(guān)鍵參數(shù)對整個傳動系運行的影響。

首先，在仿真模型中改變限扭器阻尼和剛度，保持其他參數(shù)不變，分析整個傳動系的發(fā)動機啟動和穩(wěn)態(tài)發(fā)電過程的風(fēng)險，結(jié)果見表1。

表1 限扭器阻尼和剛度對發(fā)動機啟動和穩(wěn)態(tài)發(fā)電過程的風(fēng)險影響

由表1可以看出：

(1)當(dāng)剛度一定時，大阻尼對啟動瞬態(tài)工況效果好，不易發(fā)生瞬態(tài)沖擊，但不利于穩(wěn)態(tài)發(fā)電隔振且易引起持續(xù)敲擊，小阻尼反之。DM-i傳動系一階模態(tài)頻率為9～14 Hz，發(fā)動機啟動點火激勵頻率(半階次)為10～12 Hz。根據(jù)隔振理論[2]，傳動系一階模態(tài)在點火激勵的共振區(qū)，需要大阻尼才能減振；到穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速升高且主要的激勵為二階及以上，頻率遠離傳動系模態(tài)，這時需要小阻尼隔振。

(2)當(dāng)阻尼一定時，整體上剛度越小啟動瞬態(tài)工況效果越好，某些剛度下總成抖動略大但無齒輪敲擊現(xiàn)象。剛度大時啟動和穩(wěn)態(tài)隔振都變差，并伴有敲擊聲。傳動系一階模態(tài)可能與動力總成繞整車Y軸轉(zhuǎn)動模態(tài)共振，導(dǎo)致抖動；剛度太大傳動系模態(tài)高，根據(jù)隔振原理，其對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)二階及以上階次隔振變差。

因此，為了避免DM-i超級混動構(gòu)架在發(fā)動機啟動和穩(wěn)態(tài)發(fā)電時，整個傳動系沖擊或持續(xù)敲擊風(fēng)險，限扭器的阻尼和剛度應(yīng)合理匹配。

其次，在阻尼和剛度不變的情況下，改變模型中限扭器的慣量，分析其影響。發(fā)動機啟動時刻，慣量對整個傳動系沖擊的影響沒有特定的規(guī)律，主要是和整個系統(tǒng)匹配，設(shè)計合理的慣量，避免傳動系的一階模態(tài)頻率與發(fā)動機啟動半階次激勵、動力總成繞整車Y軸轉(zhuǎn)動的模態(tài)接近，引起共振導(dǎo)致整車抖動。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下，慣量越大，整個傳動系的扭振敲擊風(fēng)險越小，大慣量可有效抑制發(fā)動機傳遞的扭振波動。整個傳動系的扭振敲擊用發(fā)電機減速器齒輪嚙合力評價，限扭器慣量對穩(wěn)態(tài)發(fā)電扭振的影響如圖2所示。由圖2可以看出：嚙合力小于0的時刻很少，意味著齒輪很少換向接觸，不易產(chǎn)生敲擊異響和整車振動。

圖2 限扭器慣量對穩(wěn)態(tài)發(fā)電扭振影響

再次，驗證了發(fā)電機扭矩加載策略的影響，其對限扭器的隔振及整個傳動系的運動特性影響很大。發(fā)動機啟動工況，需要發(fā)動機、發(fā)電機策略和限扭器的合理匹配才能有好的表現(xiàn)，各關(guān)系復(fù)雜這里不詳細論述。但在限扭器參數(shù)不變的情況下，穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況發(fā)電機扭矩越大，系統(tǒng)的扭振風(fēng)險越小。改變發(fā)電機扭矩，發(fā)電機減速器齒輪嚙合力結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)電機扭矩對穩(wěn)態(tài)發(fā)電扭振影響

2 限扭器實車匹配驗證

2.1 阻尼匹配

在該DM-i實車上匹配相同剛度和慣量、不同阻尼的限扭器，連續(xù)啟動多次，測試動力總成本體振動，結(jié)果如圖4所示(其中，g為重力加速度)。由圖4可以看出：小阻尼易導(dǎo)致啟動瞬態(tài)沖擊，產(chǎn)生抖動和齒輪異響；而大阻尼風(fēng)險明顯降低，與理論分析一致。但小阻尼情況也有好狀態(tài)，這是因為啟動效果還與發(fā)動機點火缸壓差異有關(guān)，缸壓越小啟動抖動越小。穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下大阻尼限扭器對較高頻率扭振的減振效果略有變差，但在可接受范圍內(nèi)。

圖4 啟動工況動力總成本體振動-阻尼影響

2.2 剛度匹配

在DM-i實車上匹配相同阻尼和慣量、不同剛度的限扭器，連續(xù)啟動多次，測試動力總成本體振動，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：大剛度易導(dǎo)致啟動瞬態(tài)沖擊，產(chǎn)生抖動和齒輪異響，小剛度風(fēng)險則明顯降低。進入發(fā)動機穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況中，小剛度的限扭器隔振性能也表現(xiàn)更優(yōu)。試驗和理論分析結(jié)果趨勢一致，整體上限扭器剛度越小越好，但要注意其引起的傳動系模態(tài)變化，如果與激勵頻率或動力總成剛體模態(tài)共振，反而會變差。

圖5 啟動工況動力總成本體振動-剛度影響

2.3 控制策略匹配

DM-i超級混動構(gòu)架限扭器的阻尼、剛度和慣量設(shè)計因受到可靠性、成本等限制，不能完全兼顧啟動瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況，需要發(fā)電機的控制策略進行輔助優(yōu)化。發(fā)動機啟動前，發(fā)電機作為主動件拖動發(fā)動機到一定轉(zhuǎn)速后取消扭矩，隨即發(fā)動機點火，這時發(fā)電機變?yōu)楸粍蛹M行發(fā)電。啟動時發(fā)電機加載扭矩較小，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升慢，轉(zhuǎn)頻激勵在傳動系統(tǒng)一階共振區(qū)間停留時間長，易引起共振；加載扭矩變大后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速通過共振點，共振風(fēng)險小，不易引起抖動或敲擊。發(fā)動機啟動后進入怠速發(fā)電工況，發(fā)電機不同扭矩下的動力總成和座椅振動結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同扭矩下的振動對比

由圖6可以看出：如果發(fā)電扭矩較小，容易產(chǎn)生傳動系齒輪扭振敲擊，動力總成本體及傳到車內(nèi)的振動加大，和前面理論分析一致。所以當(dāng)DM-i超級混動構(gòu)架發(fā)動機運行時，必須使發(fā)電機持續(xù)處于一定的發(fā)電功率中。但怠速時又不能加載太大的扭矩，因為怠速轉(zhuǎn)速工況發(fā)動機不是最佳效率發(fā)電點，影響燃油經(jīng)濟性，如果提高轉(zhuǎn)速接近最佳效率點，會導(dǎo)致發(fā)動機噪聲變大且傳遞到車艙內(nèi)。

在極端工況下，電池滿電或者電池充電功率很低時(比如在冬天東北地區(qū)極寒天氣)，發(fā)電機不能過載，所以應(yīng)首要考慮將限扭器的硬件優(yōu)化到最佳，策略作為補充。

3 結(jié)語

通過一維仿真建模理論分析，同時結(jié)合實車測試數(shù)據(jù)和評價，研究了限扭器在DM-i超級混動構(gòu)架中的匹配關(guān)鍵技術(shù)。詳細闡述了限扭器阻尼、剛度、慣量和發(fā)電機扭矩策略對整個動力傳動系啟動工況的瞬態(tài)沖擊和穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況的扭振敲擊影響，并提出了優(yōu)化方案；限扭器慣量由于設(shè)計空間限制和樣件制作周期，沒有實車驗證。該研究可為行業(yè)內(nèi)開發(fā)類似混動車型的限扭器匹配提供參考。