双模车传动系扭振及齿轮敲击分析和优化

杨冬生 白云辉 赵敏 孙浩

摘 要：传动系扭振对发动机激励较为敏感 若引起共振 会在车内产生轰鸣声 影响车内声振舒适性。同时 也会增加变速器齿轮敲击的风险。文章通过多体动力学软件Adams分析某款搭载E-CVT的双模车传动系扭振 即分析双质量飞轮主、次级盘角加速度波动来判断是否存在扭振风险 同时 通过能量法判断变速器齿轮敲击风险的大小 并给出优化建议 以降低变速器齿轮敲击风险。

关键词：扭振;双质量飞轮;齿轮敲击;优化

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：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

汽車动力传动系统主要包括发动机、变速器、双质量飞轮、差速器、传动半轴和车轮等部件 是以旋转运动为主的扭转系统。扭转系统的扭转振动是车辆振动的一种主要形式 是影响车辆NVH性能的一个重要因素 特别是针对新能源的双模车更是如此。当传动系发生扭转共振时 会导致车辆零部件可靠性降低 引起车身垂向和纵向振动 对车辆的乘坐舒适性有重要影响[1]。

扭振的较大变化会导致严重的空套齿轮敲击问题 而通过齿轮敲击能量可定量评价空套齿轮敲击风险[2] 为进一步做出优化措施奠定基础。

本文通过Adams软件分析传动系扭振 并基于敲击能量法判断传动系空套齿是否存在敲击风险 由此来确定进一步的优化措施。

1 传动系模型的建立与分析

1.1 传动系模型的建立

利用Adams软件创建传动系模型 传动系模型包含：发动机、DMF、离合器、E-CVT变速器、传动半轴、轮胎等;需根据实际的几何尺寸创建 创建后的模型如图1所示：

模型创建后 还需将各个部件的惯量和质量赋予给模型中的部件[3] 可通过UG测出各个部件的转动惯量和质量。

1.2 传动系连接关系的创建

连接关系主要包括双质量飞轮的刚度和迟滞、变速器齿轮的啮合和传动、半轴的刚度、万向节的连接等 根据DMF设计值在Adams软件中创建DMF主、次级盘之间的刚度和迟滞 创建后如图2所示：

变速器齿轮的啮合和传动可通过耦合副和齿轮副的啮合刚度来创建[4] E-CVT传动数模如图3所示：

具体的齿轮对啮合刚度如表1所示：

传动半轴刚度、万向节刚度可通过有限元软件计算得出 此处不再赘述。

1.3 激励的施加

此处激励指的是发动机缸压 将缸压值分别施加到发动机四个活塞缸。发动机的相关参数如表2所示：

发动机缸压曲线如图4所示：

将缸压数据导入到Adams中 导入后的曲线如图5所示：

1.4 扭振分析

E-CVT工作模式有串联、并联、发动机直驱 此处选择发动机直驱—TM不驱动、GM不发电的工况 此时R1、R2皆为空套齿 扭振和敲击的风险最高。

对所建Adams模型求解 得到双质量飞轮工作角度 如图6所示：

由图6可知 在车辆平稳运行中 DMF主要工作角度在20°左右 处于双质量飞轮刚度的第二阶段 满足一般规律[5]。

双质量飞轮主、次级盘转速波动 如图7所示：

由图7可知 DMF主、次级盘转速稳定增加 无明显波动。

由Barthod[6]建立的变速器传动试验台架测试结果知：发动机二次谐波激励频率幅值越高 变速器产生敲击的可能性越大;在发动机二次、四次和六次谐波同时激励下 二次谐波幅值对于产生敲击贡献值最大。

故通过软件LMS Test Lab提取出双质量飞轮主、次级盘2阶角加速度波动（P-P） 求解并提取 结果如图8所示：

由扭振结果可知 DMF主、次级盘皆满足目标值要求 初步评估为无风险。

1.5 空套齿轮敲击分析

扭振分析只能初步评估齿轮是否有敲击风险 但齿轮敲击并不完全取决于扭振 还需通过敲击能量进一步对空套齿轮敲击风险作出评估。

在Adams中得到敲击功率不能直观或量化的去衡量齿轮是否存在敲击 需通过Matlab或Excel对数据做进一步的处理 即敲击功率对时间积分 按照曲轴每转过720度为一个时间积分周期 以此来获得敲击能量。通过数据提取后的敲击能量如图9所示：

根据文献[2] 判断变速器是否发生敲击是所有空套齿轮敲击能量之和 即图中的浅绿色曲线所示。根据文献所述 若变速器空套齿敲击能量之和大于0.08J 则有敲击风险;若小于0.08J 则无敲击风险。由图7曲线可明显得出变速器有敲击风险 且风险很高 需进行优化 以期降低到目标值以下。

2 优化分析

根据以往经验 在硬件不能更改的前提下 主要是针对控制策略方面提出优化建议。

控制策略方面最有效的是给TM电机施加初始扭矩 迫使空套齿一直处于啮合状态 以降低空套齿敲击风险。

此处给定TM初始扭矩为5Nm 求解分析后空套齿敲击能量如图10所示：

由图10可明显看出 空套齿轮敲击能量之和远低于0.08J 齿轮无敲击风险。

此外 也可通过修改硬件来降低齿轮敲击风险 如：修改双质量飞轮刚度及主次级盘惯量、传动半轴刚度、电机定子惯量、曲轴惯量等。

3 小结

本文利用Adams软件创建含有E-CVT的传动系多体动力学模型 通过LMS Test Lab提取出双质量飞轮主、次级盘二阶角加速度波动 以此评估扭振是否满足目标值要求。而后利用Matlab或Excel将敲击功率对时间进行积分 获得随转速变化的空套齿轮敲击能量 并与目标值0.08J做对比 判断变速器是否存在敲击风险。若有风险 则可通过硬件或软件消除敲击风险。硬件方面 如修改双质量飞轮刚度及主次盘惯量、传动半轴刚度、电机定子惯量、曲轴惯量等;软件策略方面 如TM或GM施加初始扭矩等。

本文通过策略方面 降低了变速器空套齿轮敲击风险 后续设计可根据此文进行变速器敲击的优化设计。

参考文献

[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，杨明亮，等.基于能量波动的变速器齿轮敲击异响评价方法研究[J].机械传动，2017，41（10）：119-122.

[3] 李增刚，ADAMS入门详解与实例[D].国防工业初版社，2017.

[4] 陆军，MSC.ADAMS技术与工程分析实例[D].中国水利水电出版社，2017.

[5] 尹良杰，朱凌云.搭载DCT的双质量飞轮扭振特性仿真分析[J].内燃机与动力装置，2017，34（1）：45-48.

[6] 吴光强，吴虎威，李迪.汽車变速器齿轮敲击动力学问题研究综述[J].同济大学学报（自然科学版），2016，44（2）：276-285.