SIMPACK混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱振動(dòng)主要影響因素

為了分析混合動(dòng)力汽車(chē)雙模式多級(jí)齒輪動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(duì)動(dòng)力學(xué)模型施加激勵(lì)和設(shè)置輸出通道，構(gòu)建了扭振仿真系統(tǒng)。應(yīng)用扭振仿真系統(tǒng)分析了多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振型，并與理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

扭振仿真系統(tǒng)振型分析的結(jié)果與理論計(jì)算的傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率以及噪聲實(shí)驗(yàn)獲得的主噪聲頻率一致，證明了構(gòu)建系統(tǒng)的正確性。在此基礎(chǔ)上，分析了阻尼減振器的阻尼、剛度的變化等目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)對(duì)多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響。結(jié)果表明，將扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)調(diào)整在適當(dāng)范圍內(nèi)，對(duì)多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分階次的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)有較好的衰減作用。

1 引言

由于世界石油存儲(chǔ)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。混合動(dòng)力汽車(chē)是現(xiàn)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(duì)乘客的乘坐舒適性影響很大，因此，越來(lái)越受到廠商和研究機(jī)構(gòu)的重視。

混合動(dòng)力汽車(chē)的噪聲來(lái)源有很多，其中多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的異常扭轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的雙模式驅(qū)動(dòng)方式，其齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭振特征較普通汽車(chē)更為復(fù)雜。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)端和驅(qū)動(dòng)電機(jī)端存在輸入轉(zhuǎn)矩的激勵(lì)時(shí)，多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生異常受迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)外源性激勵(lì)的干擾頻率與系統(tǒng)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(xiàn)強(qiáng)烈的受迫扭轉(zhuǎn)共振，相應(yīng)部件所受的載荷將顯著增加，嚴(yán)重?fù)p害傳動(dòng)系的部件，并導(dǎo)致扭振和不舒適感。因此，對(duì)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(duì)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析。

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

Chang 等采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)作為動(dòng)力總成的激勵(lì)源進(jìn)行了驗(yàn)證，證明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)是動(dòng)力總成扭振的主要激勵(lì)源之一。

Yue 等對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并研究了該系統(tǒng)的振動(dòng)特征。根據(jù)以上研究可知，發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)是傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的重要激勵(lì)源。為了減少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dāng)汽車(chē)動(dòng)力輸入端存在激勵(lì)時(shí)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要總成之一。

Paul D 等對(duì)于汽車(chē)傳動(dòng)系的主動(dòng)阻尼對(duì)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(duì)其在傳統(tǒng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)上的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比。林新海等通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了影響齒輪箱振動(dòng)的主要因素。

Tang 等對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)行星齒輪結(jié)構(gòu)的噪聲源進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這些方法的共同點(diǎn)是基于理論計(jì)算的方法來(lái)分析齒輪扭振特性。理論計(jì)算方法需要建立精確的齒輪數(shù)學(xué)模型，計(jì)算的結(jié)果較為精確，但對(duì)于較為復(fù)雜的傳動(dòng)來(lái)講，系統(tǒng)存在較多的自由度，建立完善的模型過(guò)程較為繁瑣，對(duì)模型的修正也較為困難，一旦模型建立錯(cuò)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(gòu)建和分析的方法，則較為方便直觀，并能夠模擬傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭振的傳遞特性。但這種方法卻難以對(duì)齒輪副模型嚙合參數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)慣量、等價(jià)阻尼和等價(jià)剛度，對(duì)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(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)行星齒輪機(jī)構(gòu)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(shù)、泊松比、彈性模量、齒面摩擦因數(shù)等物理與材料特性參數(shù)，尤其是無(wú)法模擬單對(duì)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(shù)。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)際情況存在著一定誤差。通過(guò)適合的方法構(gòu)建精確的混合傳動(dòng)系統(tǒng)模型，并分析其振動(dòng)特性，對(duì)于混合動(dòng)力多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化是非常有幫助的。

本文中構(gòu)建了基于 SIMPACK 的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，在 SIMPACK 中建立精確的齒輪模型，并應(yīng)用齒輪嚙合力元建立齒輪連接。根據(jù)所建模型建立扭振仿真系統(tǒng)，并對(duì)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)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(shù)對(duì)扭振的影響。

2 扭振仿真系統(tǒng)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(tǒng)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(duì)圖 1 所示的混合動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)建模。

建模時(shí)應(yīng)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(zhuǎn)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(jī)和行星架連接，可簡(jiǎn)化為有阻尼的扭轉(zhuǎn)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(shù)有：齒輪嚙合形式（外、內(nèi)、齒條）、齒數(shù)、模數(shù)、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(zhuǎn)角。齒輪嚙合采用專門(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(shù)、泊松比、彈性模量、齒面摩擦因數(shù)等物理與材料特性。建好的整車(chē)傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)半軸和左右一對(duì)車(chē)輪。該模型中，阻尼減振器簡(jiǎn)化成扭轉(zhuǎn)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，在 SIMPACK 中可根據(jù)建立好的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)建立扭振仿真系統(tǒng)。扭振仿真系統(tǒng)可以分析頻域范圍內(nèi)的固有頻率和頻率響應(yīng)。系統(tǒng)可以設(shè)置自由振動(dòng)激勵(lì)作為輸入。仿真系統(tǒng)包含 3 個(gè)部分，如圖所示。第一部分是激勵(lì)力元。激勵(lì)力元采用單位振幅的正弦力，初始相位角為 0。激勵(lì)頻率范圍持續(xù)增長(zhǎng)。范圍是 1～5000 Hz，計(jì)算步數(shù)是 10000。分別計(jì)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(jù)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，要求將激勵(lì)從發(fā)動(dòng)機(jī)端或電機(jī)端輸入。第三部分是輸出通道?？梢愿鶕?jù)分析要求，在所建模型的部件上設(shè)置輸出通道。相應(yīng)于輸入通道，輸出參數(shù)的測(cè)試方向有 x、y、z 方向和對(duì)應(yīng)軸向的扭轉(zhuǎn)方向。

3 結(jié)論

應(yīng)用 SIMPACK 構(gòu)建了基于目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的扭振仿真系統(tǒng)，并通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

（1） 仿真與理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了所構(gòu)建系統(tǒng)的正確性。結(jié)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(nèi)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(jī)和飛輪處的噪聲為主要噪聲源。

（2） 通過(guò)分析扭轉(zhuǎn)減振器特性參數(shù)對(duì)扭振特性的影響分析可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為輸入激勵(lì)源時(shí)，扭轉(zhuǎn)減振器的阻尼和剛度調(diào)整對(duì)低頻段扭振有較明顯的削弱作用，而對(duì)高頻扭振影響不大。當(dāng)采用主電機(jī)作為輸入激勵(lì)源時(shí)，阻尼的調(diào)整對(duì)高頻扭振有一定削弱，而對(duì)低頻扭振沒(méi)有影響。剛度的調(diào)整對(duì)低頻扭振有一定削弱，而對(duì)高頻扭振影響不大。
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