摘要

 

為了分析混合動(dòng)力汽車(chē)雙模式多級齒輪動(dòng)力傳動(dòng)機構扭轉振動(dòng)產(chǎn)生的原因及其影響因素，基于 SIMPACK 建立了整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對動(dòng)力學(xué)模型施加激勵和設置輸出通道，構建了扭振仿真系統。應用扭振仿真系統分析了多級齒輪傳動(dòng)機構的振型，并與理論計算和實(shí)驗結果進(jìn)行了對比驗證。

 

扭振仿真系統振型分析的結果與理論計算的傳動(dòng)系統固有頻率以及噪聲實(shí)驗獲得的主噪聲頻率一致，證明了構建系統的正確性。在此基礎上，分析了阻尼減振器的阻尼、剛度的變化等目標優(yōu)化參數對多級齒輪傳動(dòng)機構產(chǎn)生的扭轉振動(dòng)的影響。結果表明，將扭轉減振器參數調整在適當范圍內，對多級齒輪傳動(dòng)機構部分階次的扭轉振動(dòng)有較好的衰減作用。

 

1 引言

 

由于世界石油存儲量的不斷下降，開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)是如今的發(fā)展方向?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)是現行汽車(chē)的一種可靠替代形式，由于其 NVH（Noise，Vibration and Harshness）問(wèn)題對乘客的乘坐舒適性影響很大，因此，越來(lái)越受到廠(chǎng)商和研究機構的重視。

 

混合動(dòng)力汽車(chē)的噪聲來(lái)源有很多，其中多級齒輪傳動(dòng)機構的異常扭轉振動(dòng)是一個(gè)重要的噪聲源。由于混合動(dòng)力汽車(chē)采用純電動(dòng)驅動(dòng)和混合動(dòng)力驅動(dòng)的雙模式驅動(dòng)方式，其齒輪傳動(dòng)機構的扭振特征較普通汽車(chē)更為復雜。當發(fā)動(dòng)機端和驅動(dòng)電機端存在輸入轉矩的激勵時(shí)，多級齒輪傳動(dòng)機構會(huì )發(fā)生異常受迫扭轉振動(dòng)問(wèn)題。當外源性激勵的干擾頻率與系統的任何一個(gè)固有頻率相等時(shí)，傳遞功率流的傳動(dòng)系將出現強烈的受迫扭轉共振，相應部件所受的載荷將顯著(zhù)增加，嚴重損害傳動(dòng)系的部件，并導致扭振和不舒適感。因此，對于扭振的影響因素和消除方法研究是非常重要的。

 

一些研究對車(chē)輛動(dòng)力系統的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析。

 

楊遠等運用單體聲功率及頻譜分析的方法識別出了變速器齒輪產(chǎn)生的嚙合噪聲是電驅動(dòng)動(dòng)力總成系統噪聲產(chǎn)生的主要原因。

 

Chang 等采用實(shí)驗的方法對發(fā)動(dòng)機轉矩波動(dòng)作為動(dòng)力總成的激勵源進(jìn)行了驗證，證明發(fā)動(dòng)機轉矩波動(dòng)產(chǎn)生的激勵是動(dòng)力總成扭振的主要激勵源之一。

 

Yue 等對混合動(dòng)力系統的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并研究了該系統的振動(dòng)特征。根據以上研究可知，發(fā)動(dòng)機或電機是傳動(dòng)系統扭振的重要激勵源。為了減少傳動(dòng)機構的振動(dòng)和噪聲，需要采取相關(guān)的措施，采用阻尼減振器是一種衰減扭振的有效措施。當汽車(chē)動(dòng)力輸入端存在激勵時(shí)，齒輪傳動(dòng)機構是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要總成之一。

 

Paul D 等對于汽車(chē)傳動(dòng)系的主動(dòng)阻尼對換擋產(chǎn)生的瞬時(shí)振動(dòng)進(jìn)行了研究，提出了一種主動(dòng)控制策略，并對其在傳統汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)上的應用效果進(jìn)行了對比。林新海等通過(guò)模態(tài)試驗和臺架試驗相結合的方法分析了影響齒輪箱振動(dòng)的主要因素。

 

Tang 等對混合動(dòng)力汽車(chē)行星齒輪結構的噪聲源進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗驗證。這些方法的共同點(diǎn)是基于理論計算的方法來(lái)分析齒輪扭振特性。理論計算方法需要建立精確的齒輪數學(xué)模型，計算的結果較為精確，但對于較為復雜的傳動(dòng)來(lái)講，系統存在較多的自由度，建立完善的模型過(guò)程較為繁瑣，對模型的修正也較為困難，一旦模型建立錯誤，修改起來(lái)比較麻煩。

 

而采用 Adams 等多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型構建和分析的方法，則較為方便直觀(guān)，并能夠模擬傳動(dòng)機構扭振的傳遞特性。但這種方法卻難以對齒輪副模型嚙合參數進(jìn)行精確描述，所以，在進(jìn)行齒輪動(dòng)力學(xué)分析時(shí)效果較差。一些研究者提出了替代方法，洪清泉等提出了一種在 Adams 中建立虛擬齒輪副模型的方法，該方法考慮了齒輪的轉動(dòng)慣量、等價(jià)阻尼和等價(jià)剛度，對齒輪動(dòng)力學(xué)分析取得了一定的效果。

 

Yu 等也采用這種方法對混合動(dòng)力汽車(chē)行星齒輪機構的扭振特性進(jìn)行了分析，為混合動(dòng)力汽車(chē)的降噪研究提供了參考，但該方法只是以扭簧的等價(jià)阻尼和等價(jià)剛度近似地代替齒輪嚙合，而無(wú)法建立齒輪修形系數、泊松比、彈性模量、齒面摩擦因數等物理與材料特性參數，尤其是無(wú)法模擬單對輪齒的綜合彈性變形、齒輪重合度、齒輪嚙合時(shí)的阻尼變化以及齒輪嚙合時(shí)的綜合剛度變化的時(shí)變參數。這使得利用虛擬齒輪副模型的方法進(jìn)行的齒輪扭振特性分析與實(shí)際情況存在著(zhù)一定誤差。通過(guò)適合的方法構建精確的混合傳動(dòng)系統模型，并分析其振動(dòng)特性，對于混合動(dòng)力多級齒輪傳動(dòng)機構的目標參數優(yōu)化是非常有幫助的。

 

本文中構建了基于 SIMPACK 的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統的多體動(dòng)力學(xué)模型，在 SIMPACK 中建立精確的齒輪模型，并應用齒輪嚙合力元建立齒輪連接。根據所建模型建立扭振仿真系統，并對混合動(dòng)力傳動(dòng)系統的扭振特性進(jìn)行研究，分析各部件扭振特征頻率和關(guān)鍵參數對扭振的影響。

 

2 扭振仿真系統建立

 

SIMPACK 中動(dòng)力學(xué)模型的建立是基于樣車(chē)傳動(dòng)系統質(zhì)量和元件分布的特點(diǎn)，采用多自由度集中質(zhì)量的離散化建模方法，對圖 1 所示的混合動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行扭轉振動(dòng)建模。

 

建模時(shí)應遵循以下簡(jiǎn)化原則：

 

（1） 相鄰兩集中質(zhì)量間連接軸的剛度，視為集中質(zhì)量間的剛度，即將軸的轉動(dòng)慣量平均分配到相鄰的集中質(zhì)量上。

 

（2） 阻尼減振器前后分別與發(fā)動(dòng)機和行星架連接，可簡(jiǎn)化為有阻尼的扭轉彈簧。要進(jìn)行行星輪系的扭振分析，建立各嚙合齒輪副的動(dòng)力學(xué)模型是關(guān)鍵。在 SIMPACK 中，可以建立精確的齒輪模型。建立齒輪副模型時(shí)需要輸入的參數有：齒輪嚙合形式（外、內、齒條）、齒數、模數、法向壓力角、齒頂高和齒根高、螺旋角、錐角、齒隙、齒寬、嚙合的初始轉角。齒輪嚙合采用專(zhuān)門(mén)的齒輪力元。齒輪力元中考慮了齒輪的嚙合剛度、阻尼、齒輪修形系數、泊松比、彈性模量、齒面摩擦因數等物理與材料特性。建好的整車(chē)傳動(dòng)系扭轉振動(dòng)力學(xué)模型如圖所示。其中，除 MEEBS 動(dòng)力合成器外還包括阻尼減振器、左、右驅動(dòng)半軸和左右一對車(chē)輪。該模型中，阻尼減振器簡(jiǎn)化成扭轉彈簧，齒輪采用 SIMPACK 提供的齒輪模型，而其他部件視為剛性元件。

 

 

 

為了獲得固有頻率和頻響特性曲線(xiàn)，在 SIMPACK 中可根據建立好的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)建立扭振仿真系統。扭振仿真系統可以分析頻域范圍內的固有頻率和頻率響應。系統可以設置自由振動(dòng)激勵作為輸入。仿真系統包含 3 個(gè)部分，如圖所示。第一部分是激勵力元。激勵力元采用單位振幅的正弦力，初始相位角為 0。激勵頻率范圍持續增長(cháng)。范圍是 1～5000 Hz，計算步數是 10000。分別計算在純電動(dòng)工況和混合動(dòng)力工況時(shí)的固有頻率。第二部分是輸入通道。根據混合動(dòng)力傳動(dòng)系統的運轉工況，要求將激勵從發(fā)動(dòng)機端或電機端輸入。第三部分是輸出通道?？梢愿鶕治鲆?，在所建模型的部件上設置輸出通道。相應于輸入通道，輸出參數的測試方向有 x、y、z 方向和對應軸向的扭轉方向。

3 結論

 

應用 SIMPACK 構建了基于目標參數優(yōu)化的扭振仿真系統，并通過(guò)分析得到以下結論：

 

（1） 仿真與理論計算、實(shí)驗結果的對比驗證了所構建系統的正確性。結果分析顯示，在純電動(dòng)工況，噪聲頻率主要集中在 1715 Hz 的高階頻率附近。噪聲源主要來(lái)自行星排內的齒輪。在混合動(dòng)力工況，噪聲頻率主要集中在 0～30 Hz 的低階次。發(fā)動(dòng)機和飛輪處的噪聲為主要噪聲源。

 

（2） 通過(guò)分析扭轉減振器特性參數對扭振特性的影響分析可知，當發(fā)動(dòng)機作為輸入激勵源時(shí)，扭轉減振器的阻尼和剛度調整對低頻段扭振有較明顯的削弱作用，而對高頻扭振影響不大。當采用主電機作為輸入激勵源時(shí)，阻尼的調整對高頻扭振有一定削弱，而對低頻扭振沒(méi)有影響。剛度的調整對低頻扭振有一定削弱，而對高頻扭振影響不大。