雙模車傳動系扭振及齒輪敲擊分析和優化

楊冬生 白云輝 趙敏 孫浩

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

關鍵詞：扭振;雙質量飛輪;齒輪敲擊;優化

中圖分類號：U462? 文獻標識碼：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

汽車動力傳動系統主要包括發動機、變速器、雙質量飛輪、差速器、傳動半軸和車輪等部件 是以旋轉運動為主的扭轉系統。扭轉系統的扭轉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。當傳動系發生扭轉共振時 會導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致嚴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險[2] 為進一步做出優化措施奠定基礎。

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險 由此來確定進一步的優化措施。

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軟件創建傳動系模型 傳動系模型包含：發動機、DMF、離合器、E-CVT變速器、傳動半軸、輪胎等;需根據實際的幾何尺寸創建 創建后的模型如圖1所示：

模型創建后 還需將各個部件的慣量和質量賦予給模型中的部件[3] 可通過UG測出各個部件的轉動慣量和質量。

1.2 傳動系連接關系的創建

連接關系主要包括雙質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、萬向節的連接等 根據DMF設計值在Adams軟件中創建DMF主、次級盤之間的剛度和遲滯 創建后如圖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建[4] E-CVT傳動數模如圖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

此處激勵指的是發動機缸壓 將缸壓值分別施加到發動機四個活塞缸。發動機的相關參數如表2所示：

發動機缸壓曲線如圖4所示：

將缸壓數據導入到Adams中 導入后的曲線如圖5所示：

1.4 扭振分析

E-CVT工作模式有串聯、并聯、發動機直驅 此處選擇發動機直驅—TM不驅動、GM不發電的工況 此時R1、R2皆為空套齒 扭振和敲擊的風險最高。

對所建Adams模型求解 得到雙質量飛輪工作角度 如圖6所示：

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

雙質量飛輪主、次級盤轉速波動 如圖7所示：

由圖7可知 DMF主、次級盤轉速穩定增加 無明顯波動。

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

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

由扭振結果可知 DMF主、次級盤皆滿足目標值要求 初步評估為無風險。

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對數據做進一步的處理 即敲擊功率對時間積分 按照曲軸每轉過720度為一個時間積分周期 以此來獲得敲擊能量。通過數據提取后的敲擊能量如圖9所示：

根據文獻[2] 判斷變速器是否發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 則有敲擊風險;若小于0.08J 則無敲擊風險。由圖7曲線可明顯得出變速器有敲擊風險 且風險很高 需進行優化 以期降低到目標值以下。

2 優化分析

根據以往經驗 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 以降低空套齒敲擊風險。

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低于0.08J 齒輪無敲擊風險。

此外 也可通過修改硬件來降低齒輪敲擊風險 如：修改雙質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

本文利用Adams軟件創建含有E-CVT的傳動系多體動力學模型 通過LMS Test Lab提取出雙質量飛輪主、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 獲得隨轉速變化的空套齒輪敲擊能量 并與目標值0.08J做對比 判斷變速器是否存在敲擊風險。若有風險 則可通過硬件或軟件消除敲擊風險。硬件方面 如修改雙質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險 后續設計可根據此文進行變速器敲擊的優化設計。

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.

[2] 高思奇，丁渭平，楊明亮，等.基于能量波動的變速器齒輪敲擊異響評價方法研究[J].機械傳動，2017，41（10）：119-122.

[3] 李增剛，ADAMS入門詳解與實例[D].國防工業初版社，2017.

[4] 陸軍，MSC.ADAMS技術與工程分析實例[D].中國水利水電出版社，2017.

[5] 尹良杰，朱凌云.搭載DCT的雙質量飛輪扭振特性仿真分析[J].內燃機與動力裝置，2017，34（1）：45-48.

[6] 吳光強，吳虎威，李迪.汽車變速器齒輪敲擊動力學問題研究綜述[J].同濟大學學報（自然科學版），2016，44（2）：276-285.