摘要：本文研究某款混合動(dòng)力車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振設(shè)計(jì)，包含限扭減振器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、以及傳動(dòng)系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)方法。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸出的最大扭矩和扭轉(zhuǎn)角加速度，及變速箱允許的最大扭轉(zhuǎn)角加速度確定限扭減振器的彈簧剛度及最大轉(zhuǎn)角等設(shè)計(jì)參數(shù)，然后根據(jù)整車傳動(dòng)系統(tǒng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度等參數(shù)利用Amesim進(jìn)行傳動(dòng)系扭振分析，最后在實(shí)車上進(jìn)行NVH驗(yàn)證。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明限扭減振器的設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到整車性能要求，仿真分析與實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；限扭減振器；變速箱；扭轉(zhuǎn)角加速度

混動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)由一系列具有彈性和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的傳動(dòng)軸、齒輪和離合器等組成，傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象往往對(duì)正常工作造成威脅，即發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率落在傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率附近或與其相重合?。通過對(duì)扭振模型中剛度、阻尼、激勵(lì)等參數(shù)的研究，采取有效的減振隔振等手段，以提高車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能和壽命”1。下面以某款在開發(fā)中的混合動(dòng)力乘用車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為分析對(duì)象，研究扭振參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)方法。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)介紹

圖1為某混合動(dòng)力乘用車的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該車輛主要行駛工況包含駐車發(fā)電、純電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)行駛、并聯(lián)行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、行車發(fā)電和制動(dòng)能量回收等。低速起步時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，當(dāng)動(dòng)力電池容量降低到某值后車輛進(jìn)入串聯(lián)行駛模式啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)將電能充入動(dòng)力電池內(nèi)或直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，變速箱內(nèi)部離合器斷開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)車速上升到某值或急加速時(shí)，車輛進(jìn)入并聯(lián)行駛，此時(shí)變速箱內(nèi)部離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力耦合同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)車速較高(>120km／}1)或高速巡航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)多余的動(dòng)力可以用來發(fā)電，當(dāng)車輛滑行或制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可當(dāng)做發(fā)電機(jī)使用，回收制動(dòng)能量。另外駐車時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)也可通過發(fā)電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池充電。本文主要研究該混動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)限扭減振器的參數(shù)匹配，以及當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)限扭減振器對(duì)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及變速箱NVH性能的影響。

2 限扭減振器介紹

圖2為限扭減振器(Torque Limiter Damper)在傳動(dòng)系統(tǒng)中的安裝結(jié)構(gòu)圖，其利用碟形彈簧、摩擦片、花鍵轂等來傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，當(dāng)扭矩過載時(shí)依靠摩擦面之間打滑來防止傳動(dòng)系統(tǒng)過載損壞，同時(shí)內(nèi)部安裝有弧形彈簧扭轉(zhuǎn)減振器，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角加速度衰減為變速箱輸入軸處較小角加速度，保護(hù)變速箱內(nèi)部軸齒在扭轉(zhuǎn)沖擊時(shí)不受損壞，以及防止變速箱內(nèi)部空轉(zhuǎn)齒輪產(chǎn)生敲齒聲等傳動(dòng)系統(tǒng)NVH問題，其內(nèi)部設(shè)置阻尼盤結(jié)構(gòu)可衰減發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，其與普通手動(dòng)擋離合器的區(qū)別在于不需要換擋時(shí)可以分離的功能。

圖3為限扭減振器的剖面圖，圖4為限扭減振器的爆炸圖，包括發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪側(cè)壓盤1，變速箱側(cè)壓盤5以及將兩個(gè)壓盤固定在一起的鉚釘6。在飛輪側(cè)壓盤1和變速箱側(cè)壓盤5之間依次裝夾有碟形彈簧2、壓盤片3以及從動(dòng)盤總成4。從動(dòng)盤總成4中包含第一摩擦片、波形片和第二摩擦片，與傳統(tǒng)手動(dòng)擋車型離合器相似，可通過摩擦面之間的摩擦傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，當(dāng)扭矩超過傳遞極限時(shí)，通過摩擦面打滑實(shí)現(xiàn)極限扭矩的限制以保護(hù)變速箱。另外，從動(dòng)盤總成中還包含有預(yù)減振和主減振機(jī)構(gòu)，總共可形成3級(jí)減振剛度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)以及正常行駛等各工況時(shí)，均能起到降低傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的效果，提升車輛動(dòng)力總成NVH性能。

3 限扭減振器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

該混合動(dòng)力乘用車整備質(zhì)量1725kg，滿載質(zhì)量2125kg，傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)輸人參數(shù)如表1。發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩為196Nm，限扭減振器通過螺栓與剛性單質(zhì)量飛輪連接，基于傳動(dòng)系統(tǒng)傳扭安全性考慮需乘以1．25倍的安全系數(shù)，因此限扭減振器的最大傳遞扭矩T?=196Nm×1．25=245Nm，根據(jù)弧形彈簧的制造工藝設(shè)計(jì)該限扭減振器的最大轉(zhuǎn)角0為±25。，因此剛度值計(jì)算如下公式(1)：

發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪端輸出扭矩波動(dòng)曲線如圖5，其中橫軸為轉(zhuǎn)速，縱軸為角加速度。當(dāng)變速箱輸入軸接受到的扭轉(zhuǎn)角加速度較大時(shí)，內(nèi)部的空轉(zhuǎn)齒輪對(duì)由于存在一定間隙，會(huì)造成齒輪敲擊聲，因此限扭減振器的主要功能是降低傳遞給變速箱輸入軸的扭轉(zhuǎn)波動(dòng)，要求車輛在各個(gè)行駛工況下輸入給變速箱的扭轉(zhuǎn)角加速度值不得大于500 rad／s2(0一Peak值)。

4 變速箱扭振仿真分析

基于圖1的混合動(dòng)力乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用Amesim軟件建立車輛傳動(dòng)系統(tǒng)扭振仿真模型91，在限扭減振器的從動(dòng)盤總成中，由弧形彈簧驅(qū)動(dòng)的盤轂盤等部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量占從動(dòng)盤總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1／4，在建立模型時(shí)需分開處理，搭建好的仿真分析模型如圖6。圖中I為對(duì)應(yīng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K為對(duì)應(yīng)部分的剛度，零件的數(shù)字標(biāo)記方式與圖1相同。L發(fā)電機(jī)表示發(fā)電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I一驅(qū)動(dòng)電機(jī)表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

在參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，各個(gè)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛度參數(shù)按照實(shí)際車輛參數(shù)設(shè)置，在計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，僅考慮零件內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在計(jì)算整車轉(zhuǎn)動(dòng)l貫量時(shí)，按參考文獻(xiàn)H中所述方法，利用如下經(jīng)驗(yàn)公式(2)來計(jì)算整車對(duì)v軸的轉(zhuǎn)動(dòng)f貫量J。：

式中，m．和岫分別是汽車前后軸上的軸荷質(zhì)量，單位為kg；a和b是汽車質(zhì)心到前后軸的距離，單位為m，經(jīng)計(jì)算得出整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。=3873．7Kgm2。仿真分析時(shí)的車輛實(shí)際參數(shù)設(shè)置如下表2。

部分參數(shù)在仿真開展時(shí)較難獲取，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估，主要如下表3。根據(jù)圖5的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)輸入曲線，分析在全油門工況下的系統(tǒng)扭振表現(xiàn)，即變速箱輸入軸處的扭轉(zhuǎn)角加速度波動(dòng)。在設(shè)置不同的限扭減振器阻力矩下，對(duì)模型進(jìn)行仿真之后的變速箱輸入軸處角加速度曲線如圖7。圖中橫軸為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱軸為變速箱輸入軸處角加速度0一Peak峰值，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于4500rpm時(shí)，變速箱輸入軸處的角加速度最大峰值不超過250 rad／s2，當(dāng)轉(zhuǎn)速為5060rpm時(shí)，變速箱輸入軸處角加速度產(chǎn)生共振峰值。設(shè)置限扭減振器遲滯阻力矩大小分別為4．9Nm，9．8Nm和19．6Nm，從曲線中看出阻力矩對(duì)扭振過濾效果有反向作用，增大阻力矩將影響過濾效果，若減小阻力矩則可以增強(qiáng)扭振過濾效果，當(dāng)遲滯阻力矩為最小值4．9Nm時(shí)，變速箱輸入軸處的共振扭矩波動(dòng)最小，但此時(shí)角加速度峰值已超過600ra(1／s2，為避開此時(shí)的共振峰值區(qū)間，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)額定的最高轉(zhuǎn)速為5500rpm，因此需要通過標(biāo)定策略控制發(fā)動(dòng)機(jī)在全油門工況下的極限轉(zhuǎn)速不超過5000rpm。

圖8為設(shè)置不同變速箱輸入軸(shm2)的阻尼，經(jīng)過仿真之后變速箱輸入軸處的角加速度波動(dòng)曲線。設(shè)置變速箱輸入軸阻尼大小分別為2Nm(rad／s)，5 Nm(rad／s)和10 N一(rad／s)，從曲線中看出當(dāng)輸入軸阻尼最大時(shí)，變速箱輸入軸處共振扭矩波動(dòng)峰值最小(約300rad／s2)，同樣可通過標(biāo)定全油門工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)極限轉(zhuǎn)速低于5000rpm來避開共振區(qū)間。

5 整車NVH試驗(yàn)驗(yàn)證

在進(jìn)行仿真分析之后，需要對(duì)實(shí)車的傳動(dòng)系統(tǒng)做NvH驗(yàn)證。按參考文獻(xiàn)[5]中所述測(cè)試方法，需采集的數(shù)據(jù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，變速箱殼體振動(dòng)加速度信號(hào)(3向)，以及駕駛員座椅導(dǎo)軌處的振動(dòng)加速度信號(hào)(3向)和麥克風(fēng)噪聲信號(hào)。利用LMS數(shù)采系統(tǒng)采集以上各通道的信號(hào)，其扭振分析模塊可在軟件內(nèi)部將測(cè)試到的轉(zhuǎn)速信號(hào)換算為角速度值，進(jìn)而對(duì)時(shí)間軸求導(dǎo)計(jì)算出角加速度值。

具體測(cè)試工況及測(cè)試結(jié)果如表4，采用限扭減振器遲滯阻力矩為19．6Nm，變速箱輸入軸阻尼為2Nm(rad／s)的測(cè)試樣件，結(jié)果表明在該車發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作的各工況下敲齒聲主觀評(píng)分均可接受，最大的輸入軸角加速度0一Peak值為363rad／s2。

為了驗(yàn)證仿真分析中限扭減振器遲滯阻力矩和變速箱輸入軸阻尼變化對(duì)變速箱輸入軸角加速度0一Peak值結(jié)果影響的正確性，采用試制9種不同狀態(tài)的樣件進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)工況統(tǒng)一為發(fā)動(dòng)機(jī)從0到5000rpm的全油門加速，試驗(yàn)結(jié)果如表5，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)變速箱輸入軸阻尼一定時(shí)，限扭減振器遲滯阻力矩越大，輸入軸角加速度0一Peak值越大；當(dāng)限扭減振器遲滯阻力矩一定時(shí)，變速箱輸入軸阻尼越小，輸入軸角加速度0一Peak值越大。最后，在實(shí)車上測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速／角加速度、變速箱轉(zhuǎn)速／角加速度、限扭減振器弧形彈簧角位移及駕駛員座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)加速度，測(cè)試的曲線如圖9和圖10，測(cè)試結(jié)果表明該車在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)工況無敲齒聲，車輛振動(dòng)和噪聲在允許范圍之內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)速可通過標(biāo)定軟件調(diào)整，在試驗(yàn)過程中設(shè)置怠速發(fā)電轉(zhuǎn)速?gòu)?00rpm到1200rpm調(diào)整，間隔轉(zhuǎn)速100rpm.

6總結(jié)

(1)本文根據(jù)某款混合動(dòng)力乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大扭矩和扭轉(zhuǎn)角加速度，及變速箱允許最大扭轉(zhuǎn)角加速度計(jì)算確定限扭減振器的剛度及

最大轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)零件的正向設(shè)計(jì)起到一定指導(dǎo)作用。

(2)根據(jù)整車傳動(dòng)系統(tǒng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度等參數(shù)利用Amesim軟件進(jìn)行對(duì)整車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)變速箱進(jìn)行扭振分析，結(jié)果表明變速箱的扭轉(zhuǎn)角加速度在其允許范圍之內(nèi)，變速箱無敲齒聲等NvH問題產(chǎn)生。

(3)在實(shí)車上進(jìn)行NVH驗(yàn)證，通過傳感器和數(shù)采系統(tǒng)對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行采集和分析，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明傳動(dòng)系統(tǒng)扭振相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到性能要求，試制不同遲滯阻力矩和輸入軸阻尼參數(shù)的樣件，結(jié)果表明仿真分析與實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果基卒。致。本文對(duì)混合動(dòng)力乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真模型建立、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證具有較好指導(dǎo)作用，對(duì)類似的實(shí)車項(xiàng)目開發(fā)具有較好的借鑒意義。

作者：袁龍，雷君，顧書東，王丹，李智

作者單位：(東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，武漢430058)