混合動力重卡行星傳動系統振動噪聲分析

梁偉智，賈 爽，李慎龍，曾小華

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025；2.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072）

1 引言

混合動力技術是當今新能源汽車重要的研究方向之一，隨著混合動力技術的不斷成熟，該技術的應用也逐漸由轎車向客車、卡車等其他車型發展[1]。行星混動重卡作為混合動力重卡的重要構型之一，其內部的功率分流裝置可以更大程度上地提升節油空間，由于減少了變速器的擋位數量，傳動系統的可靠性得到了提高，同時避免了變速器復雜控制策略的開發。但行星混動系統在高速運行時可能會發出明顯的嘯叫噪聲，這會降低車輛的舒適性，同時各動力源的轉矩突變也會造成傳動系統發生振動噪聲，因此有必要對新型混動重卡的行星傳動系統進行振動噪聲分析。

目前，對行星混動傳動系統的振動噪聲研究多集中在轎車和客車，鮮有在卡車上。文獻[2]通過ADAMS建立了行星混聯式混合動力客車的虛擬樣機模型，分析了系統的固有頻率和模態振型，探究了各階模態頻率對傳動系受迫振動的影響；文獻[3-4]通過UG軟件和ANSYS軟件建立了雙行星排式動力耦合系統的有限元模型，并利用LMS.Virtual.Lab軟件分析了動力耦合系統的振動噪聲；文獻[5]對深度混合動力汽車的扭振和噪聲進行了理論和實驗分析，發現在純電動模式和混合動力驅動模式下，自激噪聲在混合動力汽車傳動系統中起著重要作用。

目前轎車的行星混動傳動系統發展的比較成熟，該系統的振動噪聲問題已經得到最大程度的改善；宇通客車與吉林大學聯合開發了一款行星混動客車[6]，通過主動與被動的扭振控制顯著降低了該系統的振動噪聲情況；當前混動重卡以并聯混動為主，行星混動重卡的研究較少，由于重卡質量大，載重量大，部件磨損嚴重，如果行星混動系統振動噪聲嚴重，行星排各部件極易損壞，不僅會降低整車可靠性與安全性，還會影響駕駛室的舒適性。由于行星混動重卡具有較好的節油前景，可以更大程度地提高發動機效率，對于高油耗的重卡而言，行星混動重卡是未來重卡的重要發展趨勢。文中以一款新型混合動力重卡為研究對象，通過Romax軟件建立行星傳動系統的三維模型，通過觀察滾動軸承加速度變化情況，分析在行星排傳遞誤差激勵下的系統的嘯叫噪聲；最后分析在發動機和電機轉矩波動激勵下，系統在高速運行時的動態響應特性，文中研究對重卡混動化、高速化、重載化的發展具有重要意義。

2 混合動力重卡系統構型

文中研究的混合動力重卡系統構型，如圖1所示。研究過程中使用的整車參數，如表1所示。該系統中的行星排是實現功率分流的主要裝置，發動機功率流入行星排后，一部分功率通過電機MG1（Motor Generator 1）為電池充電，另一部分功率通過行星排齒圈進行動力輸出；電池為電機MG2（Motor Generator 2）供能，電機MG2輸出轉矩與行星排齒圈輸出轉矩耦合后輸入變速器，變速器采用的是4擋AMT（Automatic Mechanical Transmission），變速器后接車橋。

圖1 混合動力重卡系統構型Fig.1 Configuration Diagram of Hybrid Heavy Truck

表1 整車參數Tab.1 Vehicle Parameters

該混合動力重卡具有多種行駛模式，包括發動機直驅模式、純電動模式、混合動力模式、再生制動模式、機械制動模式等，通過功率分流裝置可以使發動機盡可能工作在高效區，并根據不同行駛工況合理切換行駛模式使得整車具有較好的動力性和經濟性，同時，使用行星混動系統可以減少變速器擋位，提高了傳動系統的可靠性，降低了整車成本。

3 行星傳動系統三維建模

這里研究的混合動力重卡的傳動系統主要包括行星排機構、4擋AMT、后橋等裝置，通常嘯叫噪聲產生于行星排或變速器中，因此文中建立由行星排機構和4擋AMT組成的行星傳動系統。當前建立傳動系統三維模型并能進行動態分析的軟件有Ro?max、Adams等[7-8]，文中則基于Romax建立了行星傳動系統模型，建模時使用的行星排參數、變速器齒輪參數，如表2、表3所示。

表2 行星排參數Tab.2 Parameters of Planet Row

表3 變速器齒輪參數Tab.3 Parameters of Transmission Gear

行星傳動系統中的變速器采用的是中間軸式變速器，變速器中間軸做成齒輪軸，變速器第二軸與中間軸上各齒輪通過同步器接合。當該系統處于某一擋位時，該擋位對應的齒輪組與變速器第二軸接合，該軸上其他齒輪則處于空轉狀態。該變速器共有4對齒輪組，其中齒輪組1為常嚙合齒輪組，各擋位下運轉的嚙合齒輪組，如圖2所示。其中，四擋為直接擋，通過離合器將變速器第一軸與變速器第二軸直接連接。

圖2 各擋位下運行的齒輪組Fig.2 Gear Sets Operating in Various Gears

基于上述傳動系統部件的尺寸參數和材料屬性，分別建立行星排和變速器中各齒輪組，并將主動齒輪和從動齒輪分別安裝到各自對應的軸上。軸承選用可以同時承受徑向力和軸向力的滾動軸承，并根據軸頸大小選擇合適的軸承型號。該行星傳動系統中的各零部件模型，如圖3所示。由于這里僅研究高速擋下行星傳動系統的運行情況，不涉及到換擋過程，所以這里將齒圈輸出軸與變速器第一軸進行集成。將上述建立的各零部件進行裝配，得到的行星傳動系統三維裝配模型，如圖4所示。

圖3 行星傳動系統零部件模型Fig.3 Component Models of Planetary Transmission System

圖4 行星傳動系統三維裝配模型Fig.4 Three-dimensional Assembly Model of Planetary Transmission System

4 嘯叫噪聲分析

嘯叫噪聲是一種傳動系統中常見的噪聲，由于齒輪在制造、加工、裝配過程中存在誤差，且齒輪在嚙合過程中會發生形變，使得主動齒輪與從動齒輪之間存在傳遞誤差，進而在傳動系統運行時產生嘯叫噪聲[9]。

為探究行星傳動系統在高速運行時的振動噪聲情況，在四擋條件下，發動機轉矩為1800Nm，MG1額定功率為85kW時，對行星傳動系統進行動力學仿真，發動機轉矩輸入位置設置在太陽輪輸入軸前端，電機MG1功率輸入位置設置在行星架輸出軸前端，電機MG2轉矩輸入位置設置在齒圈輸出軸與變速器第一軸的中間位置。仿真前需要設置功率流，確定該擋位下各離合器的接合狀態，此時設置變速器第一軸與變速器第二軸之間的離合器接合，其他離合器分離。由于行星傳動系統內部齒輪的動態載荷最終通過軸承傳遞到殼體，并引起殼體表面振動從而向外輻射噪聲，因此可以根據滾動軸承加速度的變化情況來判斷行星傳動系統各部件的振動噪聲情況[10]，在行星排齒輪傳遞誤差激勵下，支承不同軸的滾動軸承的加速度變化情況，如圖5所示。

根據圖5（a），支承太陽輪輸入軸的滾動軸承的加速度曲線存在兩處較大波峰，在這兩處波峰對應的頻率下，太陽輪輸入軸存在較大的振動，特別是在太陽輪輸入軸轉速達到6400r∕min左右時，該部件會產生較嚴重的振動噪聲；根據圖5（b），支承行星架輸出軸的滾動軸承的加速度曲線相對較光滑，說明在當前輸入條件下，行星架輸出軸的振動相對較小；根據圖5（c），支承齒圈輸出軸的滾動軸承的加速度曲線存在一處波峰，但波峰起伏不大，說明齒圈輸出軸僅發生輕微振動。

圖5 各軸承加速度結果Fig.5 Acceleration Results of Each Rolling Bearing

5 系統響應特性分析

在不同行駛工況下，混合動力汽車各動力源會有不同的輸出轉矩，這種多動力源的各異動態響應會造成傳動系統不同程度的振動，這不僅會造成傳動系統損傷，還會影響整車舒適性。為探究行星傳動系統的動態響應特性，在四擋條件下分別給發動機轉矩、電機MG1轉矩和電機MG2轉矩添加1Nm的轉矩激勵，通過觀察行星傳動系統中滾動軸承的頻率響應來分析系統的響應特性，該系統的動態響應特性，如圖6所示。

圖6 各軸承頻率響應Fig.6 Frequency Response of Each Rolling Bearing

根據圖6（a），在電機MG1轉矩波動激勵下，滾動軸承頻率響應曲線存在一處幅值較大的波峰，這是因為電機MG1輸入端離行星架輸出軸最近，發動機轉矩波動對行星架輸出軸的影響相對較小，而電機MG2轉矩波動對行星架輸出軸的影響最小；根據圖6（b），在發動機轉矩波動激勵下，滾動軸承的頻率響應曲線存在兩處較大波峰，這是因為發動機輸入端離太陽輪輸入軸最近，電機MG1轉矩波動對太陽輪輸入軸的影響與發動機轉矩波動類似，均在太陽輪輸入軸頻率為2250Hz和3800Hz附近時，太陽輪輸入軸發生較大幅度的振動，而電機MG2轉矩波動對太陽輪輸入軸的影響較小。

6 結論

這里針對一款新型的混合動力重卡，搭建了其行星傳動系統的三維模型，基于該模型分別進行了行星傳動系統的嘯叫噪聲分析和動態響應特性分析，得出了行星傳動系統在高速運行下各部件的振動噪聲情況，確定了各動力源轉矩波動對傳動系統的影響，該結果有利于混合動力系統的動態協調控制，對混合動力重卡的結構優化和傳動系統NVH的研究都具有重要意義。