混合动力变速箱飞轮和离合器花键敲击问题研究

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208)

0 引言

随着国家的油耗法规日趋严格，以及国家政策对新能源汽车的大力支持，各汽车厂商都在积极推进新能源汽车的研发和应用。而混合动力汽车具备油耗低，续航里程长等优点，是电动汽车中具有很好产业化和市场化前景的车型。

混合动力汽车，是指车辆驱动系统由2个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆。对于匹配了锂电池的混合动力汽车，即发动机和电机的混合动力驱动型式，其实现形式主要是把电机集成到变速箱里，成为新的驱动单元。常用的混合动力变速箱有DHT(混合专用变速箱)，以及基于传统变速箱DCT/AT/AMT等集成电机系统所形成的混合动力变速箱。

本文所研究的问题是，某采用类似AMT的混合动力变速箱车型在发动机怠速不充电状态下所产生的飞轮和离合器花键敲击噪声。由于此花键存在配合侧隙，以及花键后端离合器总成的大惯量(约0.09 kg·m2)，在发动机怠速运转且离合器无负载时，会在配合的花键处产生敲击噪声。本文通过优化花键侧隙设计及增加碟簧阻尼机构2种途径，有效地降低花键敲击能量，消除了花键敲击噪声，使整车的振动噪声性能(noise, vibration, harshness, NVH)的表现达到较高的水平，提高了客户的使用满意度。

1 飞轮及离合器系统结构

该车型是通过在AMT内增加电机、逆变器等系统，并结合发动机和锂电池的动力源，实现混合动力的驱动。发动机飞轮采用了减振效果良好的双质量飞轮，变速箱采用常开式离合器，离合器通过球轴承集成在变速箱的输入轴上，离合器输入端通过外花键与发动机上飞轮的内花键配合，实现飞轮到离合器动力的传递，其结构见图1。

2 花键敲击噪声机理分析

对于飞轮和离合器通过内外配合的花键，其内、外花键敲击的机理可以参考相互啮合的齿轮敲击机理进行分析，如图2所示。

敲击门槛值理论，被认为是最先针对齿轮敲击现象提出的客观评价方法(发生条件)[1]。 对于平衡方程有：

(1)

从动齿的驱动力矩由输入特性决定，其转动惯性矩由其自身转动惯量和角加速度决定；而转动惯量取决于零件结构。驱动力矩和转动惯性矩在系统确定后无法有较大变化，所以增加其阻滞力矩可以有效地降低或消除齿轮敲击。

3 怠速花键敲击问题

该车辆属于插电式混合动力车型，其变速箱基于AMT变速箱的架构，在差速器前增加了电机及齿轮与传动轴系统，以实现纯电驱动的高、低挡位。同时，输入轴上的C挡(充电挡)齿轮与电机齿轴的C挡齿轮产生啮合，通过离合器和输入轴C挡齿轮同步器的控制，来实现发动机与电机的动力连接，给电机充电。其结构如图3所示。

当车辆电池电量较低时，发动机会被起动，进入混合动力驱动工况。当挂入D挡、踩住制动踏板车辆停止时，车辆的控制策略会依据制动踏板的开度来决定是否进入充电模式。例如，当制动踏板踩下深度大于35%时，进入C挡，离合器接合，进入怠速充电模式；当制动踏板踩下深度低于35%时，为了确保车辆起步时具备较快响应，车辆则不进入充电模式。此时，离合器始终断开，离合器外壳总成会通过花键与飞轮的配合，实现和发动机飞轮相同的转速运转，而由于离合器未接合，从动盘则处于静止状态。

该车辆的动力系统所采用的发动机为3缸涡轮增压发动机，其输出存在一定的转速波动，加上离合器外壳总成的惯量较大(0.09 kg·m2)，即转动惯性矩较大；同时，离合器外壳总成通过球轴承压装于变速箱输入轴，轴承的阻力矩较小(～0.05 Nm)，即阻滞力矩较小。根据上述的敲击机理分析，若惯性力矩大于阻滞力矩，驱动力矩变成负值，啮合齿轮产生分离，此时会产生齿轮敲击。故在D挡轻踩制动、车辆静止、车辆未进入怠速充电模式时，就存在明显的花键敲击噪声，此噪声很容易被驾驶员感知，引起抱怨。

4 问题分析及应对措施仿真

4.1 问题分析

为了研究花键敲击噪声和传动系转速波动的关系，进行了怠速不充电(离合器花键后端无负载)和怠速充电(离合器花键后端有50 Nm充电扭矩负载)2个工况的试验。试验发现，在不充电时，发动机飞轮和变速箱输入轴的1.5阶次转速波动值比怠速充电时的都要低，但花键敲击噪声却非常明显。这说明传动系的转速波动大小不是影响花键敲击噪声主要的因素，而离合器花键后端有无负载则是决定花键是否有敲击噪声的关键因素。2个工况的对比试验结果如表1和图4所示。

表1 怠速充电与不充电时转速波动对花键敲击噪声影响的对比试验结果

从表1和图4可以看到，怠速不充电时，虽然发动机和变速箱的转速波动比怠速充电时要低，但噪声更明显，其花键敲击噪声分布在约1 500 Hz的频带，声强大概为38 dB；怠速充电时，虽然系统的转速波动较高，但由于离合器后端有50 Nm的负载，所以花键敲击基本不存在，1 500 Hz处没有明显的噪声能量存在。通过对比说明，为了减小或消除敲击噪声，增加离合器花键后端的阻滞力矩，即给离合器施加负载是可行的。另外，通过减小花键配合侧隙来消除花键敲击噪声，理论上也是可行的。

4.2 应对措施仿真

为了研究2种方案对于降低花键敲击能量的效果，对发动机、曲轴、飞轮，离合器、变速箱等进行模型的简化，并利用AMESim软件构建仿真模型(见图5)进行计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)仿真分析。

当前的离合器和飞轮配合的花键配合间隙为0.119～0.201 mm，经过计算并考虑到加工工艺水平，可以将其减小为0.074～0.139 mm。更改的花键配合间隙范围取决于2点：一是为了满足制造工艺能力；二是在制造工艺所能确保的精度下，保证花键配合最小作用侧隙>0，从而确保变速箱和发动机能够正常装配。仿真结果(见图6)表明，花键配合间隙为0.119～0.201 mm时，花键敲击冲量为132.8 N·s，花键配合间隙为0.074～0.139 mm时，花键敲击冲量为125.6 N·s，降低了5.4%。这说明花键配合间隙的调整对敲击噪声的影响比较有限。

另外，从图6中可以看到，阻尼值对于降低花键敲击冲量具有明显的效果。当阻尼值达2.0 Nm时，花键敲击冲量从132.8 N·s降低为53.2 N·s，降低60%左右。结合花键侧隙减小和阻尼2.0 Nm方案，可以将花键敲击冲量降低65.4%；从理论上讲，可以明显降低花键敲击噪声。

5 方案实施及效果验证

5.1 方案实施

上述仿真结果说明，在花键配合两端增加阻尼结构可以有效降低花键敲击冲量。花键配合一端是飞轮，安装于发动机上，另一端是离合器，安装于变速箱上，故阻尼机构必须在发动机和变速箱装配后，即飞轮和离合器通过花键配合连接后，在飞轮和离合器装配所形成的空间结构下，实现扭转阻尼的功能。

本文利用飞轮和离合器装配后所形成的轴向空间，创新地设计了一种可以产生扭转阻尼、带开槽的碟簧机构。开槽碟簧能在较小的载荷下产生较大的变形，常用于轴向尺寸受到限制，而允许有较大横向尺寸的场合[2]。这种碟簧非常适合安装在飞轮和离合器间所形成的有限轴向空间里。碟簧机构布局见图7。

碟簧机构固定于离合器端面上，其端面靠近飞轮一侧，包括碟簧底板(离合器花键盘)、碟簧、碟簧盖板等。碟簧的中心线与离合器中心线一致，大端处于离合器端面上，碟簧上面有盖板，并通过挂钩与碟簧下端的碟簧底板固定，把碟簧限于其中，防止碟簧脱出。碟簧在离合器上的布局结构见图8。

当变速箱和发动机装配后，被压缩的碟簧在飞轮和离合器花键盘之间产生轴向力，当飞轮和离合器相对转动时就可以产生扭转阻尼。由于装配尺寸链的存在，轴向空间值是一个范围，经计算此车型飞轮和离合器轴向空间值为2.5 mm±1.49 mm。为了保证在不同的间隙下都有较大的阻尼，即保证碟簧有较大的轴向力，碟簧的设计要确保其在该轴向空间值的范围内轴向力大于某个设定值。

摩擦力矩计算公式[3]如下：

T=zFRμ

(2)

式中：T为摩擦力矩，Nm；z为摩擦面数量，为1；F为碟簧轴向力，N；R为碟簧(小端)半径，mm；μ为金属间摩擦系数，一般取0.12。

通过式(2)得到碟簧的轴向力F：

F=T/(Rμz)

(3)

基于现有空间限制，碟簧大端半径设计为76.8 mm，小端半径为52.6 mm；因小端半径决定了摩擦阻尼，故R取52.6 mm。当滞后阻尼为2.0 Nm时，摩擦力矩T为1.0 Nm。经计算，碟簧轴向力F为158.4 N。为了保证碟簧机构阻尼≥2 Nm，须保证安装高度(2.5 mm±1.49 mm)下的碟簧轴向力≥158.4 N。考虑到碟簧机构在使用过程中因磨损而导致其轴向力衰减等因素，将碟簧轴向力下限值设计为目标值的1.1倍。利用碟簧的力学特性，基于本方案的要求，设计了本方案的碟簧刚度特性，见图9。可以看到，在碟簧安装高度下极限1.0 mm和上极限4.0 mm时，碟簧的轴向力最小，但碟簧的轴向力值都>179 N。即由此设计产生的摩擦力矩>1.1 Nm，滞后阻尼>2.2 Nm，满足设计要求。

5.2 效果验证

将原设计方案和带碟簧机构的离合器安装于问题车辆，测试无碟簧机构和有碟簧机构的整车噪声，结果如图10所示。

通过对比发现，带有碟簧机构的噪声明显改善，在1 500 Hz处花键敲击噪声明显降低，分贝值从38 dB降低到约18 dB，基本消除了花键敲击噪声。同时，在发动机熄火时，在双质量飞轮共振区间(～340 r/min)会产生冲击，由于阻尼的抑制作用，双质量飞轮本身弹簧和法兰盘的敲击噪声及飞轮和离合器花键的敲击噪声都得到了很好的抑制，熄火敲击噪声也明显改善。可以说，碟簧机构不仅消除了怠速不充电时的花键敲击噪声，也明显改善了熄火时的敲击噪声，很好提升了整车的NVH品质。

6结论

本文针对混合动力变速箱发生的飞轮和离合器花键敲击问题，提出创新的设计理念，并申请了发明专利。通过设计新的碟簧机构来实现扭转阻尼，从而消除了怠速时的花键敲击噪声，同时也改善了熄火时双质量飞轮的敲击噪声，很好地提升了整车NVH品质。相对于传统燃油车来说，新能源汽车驱动系统由于结构的巨大差异，在NVH方面必将存在新的挑战，只有用创新的思路，创新的设计，才能更好地应对新挑战，开发出高品质的产品。