混合動(dòng)力變速箱飛輪和離合器花鍵敲擊問題研究

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引言

隨著國家的油耗法規(guī)日趨嚴(yán)格，以及國家政策對(duì)新能源汽車的大力支持，各汽車廠商都在積極推進(jìn)新能源汽車的研發(fā)和應(yīng)用。而混合動(dòng)力汽車具備油耗低，續(xù)航里程長等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車中具有很好產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化前景的車型。

混合動(dòng)力汽車，是指車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由2個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成的車輛。對(duì)于匹配了鋰電池的混合動(dòng)力汽車，即發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)型式，其實(shí)現(xiàn)形式主要是把電機(jī)集成到變速箱里，成為新的驅(qū)動(dòng)單元。常用的混合動(dòng)力變速箱有DHT(混合專用變速箱)，以及基于傳統(tǒng)變速箱DCT/AT/AMT等集成電機(jī)系統(tǒng)所形成的混合動(dòng)力變速箱。

本文所研究的問題是，某采用類似AMT的混合動(dòng)力變速箱車型在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不充電狀態(tài)下所產(chǎn)生的飛輪和離合器花鍵敲擊噪聲。由于此花鍵存在配合側(cè)隙，以及花鍵后端離合器總成的大慣量(約0.09 kg·m2)，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)且離合器無負(fù)載時(shí)，會(huì)在配合的花鍵處產(chǎn)生敲擊噪聲。本文通過優(yōu)化花鍵側(cè)隙設(shè)計(jì)及增加碟簧阻尼機(jī)構(gòu)2種途徑，有效地降低花鍵敲擊能量，消除了花鍵敲擊噪聲，使整車的振動(dòng)噪聲性能(noise, vibration, harshness, NVH)的表現(xiàn)達(dá)到較高的水平，提高了客戶的使用滿意度。

1 飛輪及離合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該車型是通過在AMT內(nèi)增加電機(jī)、逆變器等系統(tǒng)，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和鋰電池的動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪采用了減振效果良好的雙質(zhì)量飛輪，變速箱采用常開式離合器，離合器通過球軸承集成在變速箱的輸入軸上，離合器輸入端通過外花鍵與發(fā)動(dòng)機(jī)上飛輪的內(nèi)花鍵配合，實(shí)現(xiàn)飛輪到離合器動(dòng)力的傳遞，其結(jié)構(gòu)見圖1。

2 花鍵敲擊噪聲機(jī)理分析

對(duì)于飛輪和離合器通過內(nèi)外配合的花鍵，其內(nèi)、外花鍵敲擊的機(jī)理可以參考相互嚙合的齒輪敲擊機(jī)理進(jìn)行分析，如圖2所示。

敲擊門檻值理論，被認(rèn)為是最先針對(duì)齒輪敲擊現(xiàn)象提出的客觀評(píng)價(jià)方法(發(fā)生條件)[1]。 對(duì)于平衡方程有：

(1)

從動(dòng)齒的驅(qū)動(dòng)力矩由輸入特性決定，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩由其自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度決定；而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于零件結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩在系統(tǒng)確定后無法有較大變化，所以增加其阻滯力矩可以有效地降低或消除齒輪敲擊。

3 怠速花鍵敲擊問題

該車輛屬于插電式混合動(dòng)力車型，其變速箱基于AMT變速箱的架構(gòu)，在差速器前增加了電機(jī)及齒輪與傳動(dòng)軸系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)的高、低擋位。同時(shí)，輸入軸上的C擋(充電擋)齒輪與電機(jī)齒軸的C擋齒輪產(chǎn)生嚙合，通過離合器和輸入軸C擋齒輪同步器的控制，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的動(dòng)力連接，給電機(jī)充電。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)車輛電池電量較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)被起動(dòng)，進(jìn)入混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工況。當(dāng)掛入D擋、踩住制動(dòng)踏板車輛停止時(shí)，車輛的控制策略會(huì)依據(jù)制動(dòng)踏板的開度來決定是否進(jìn)入充電模式。例如，當(dāng)制動(dòng)踏板踩下深度大于35%時(shí)，進(jìn)入C擋，離合器接合，進(jìn)入怠速充電模式；當(dāng)制動(dòng)踏板踩下深度低于35%時(shí)，為了確保車輛起步時(shí)具備較快響應(yīng)，車輛則不進(jìn)入充電模式。此時(shí)，離合器始終斷開，離合器外殼總成會(huì)通過花鍵與飛輪的配合，實(shí)現(xiàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而由于離合器未接合，從動(dòng)盤則處于靜止?fàn)顟B(tài)。

該車輛的動(dòng)力系統(tǒng)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為3缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其輸出存在一定的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，加上離合器外殼總成的慣量較大(0.09 kg·m2)，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩較大；同時(shí)，離合器外殼總成通過球軸承壓裝于變速箱輸入軸，軸承的阻力矩較小(～0.05 Nm)，即阻滯力矩較小。根據(jù)上述的敲擊機(jī)理分析，若慣性力矩大于阻滯力矩，驅(qū)動(dòng)力矩變成負(fù)值，嚙合齒輪產(chǎn)生分離，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生齒輪敲擊。故在D擋輕踩制動(dòng)、車輛靜止、車輛未進(jìn)入怠速充電模式時(shí)，就存在明顯的花鍵敲擊噪聲，此噪聲很容易被駕駛員感知，引起抱怨。

4 問題分析及應(yīng)對(duì)措施仿真

4.1 問題分析

為了研究花鍵敲擊噪聲和傳動(dòng)系轉(zhuǎn)速波動(dòng)的關(guān)系，進(jìn)行了怠速不充電(離合器花鍵后端無負(fù)載)和怠速充電(離合器花鍵后端有50 Nm充電扭矩負(fù)載)2個(gè)工況的試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不充電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和變速箱輸入軸的1.5階次轉(zhuǎn)速波動(dòng)值比怠速充電時(shí)的都要低，但花鍵敲擊噪聲卻非常明顯。這說明傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速波動(dòng)大小不是影響花鍵敲擊噪聲主要的因素，而離合器花鍵后端有無負(fù)載則是決定花鍵是否有敲擊噪聲的關(guān)鍵因素。2個(gè)工況的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 怠速充電與不充電時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)花鍵敲擊噪聲影響的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從表1和圖4可以看到，怠速不充電時(shí)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的轉(zhuǎn)速波動(dòng)比怠速充電時(shí)要低，但噪聲更明顯，其花鍵敲擊噪聲分布在約1 500 Hz的頻帶，聲強(qiáng)大概為38 dB；怠速充電時(shí)，雖然系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較高，但由于離合器后端有50 Nm的負(fù)載，所以花鍵敲擊基本不存在，1 500 Hz處沒有明顯的噪聲能量存在。通過對(duì)比說明，為了減小或消除敲擊噪聲，增加離合器花鍵后端的阻滯力矩，即給離合器施加負(fù)載是可行的。另外，通過減小花鍵配合側(cè)隙來消除花鍵敲擊噪聲，理論上也是可行的。

4.2 應(yīng)對(duì)措施仿真

為了研究2種方案對(duì)于降低花鍵敲擊能量的效果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、曲軸、飛輪，離合器、變速箱等進(jìn)行模型的簡化，并利用AMESim軟件構(gòu)建仿真模型(見圖5)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering, CAE)仿真分析。

當(dāng)前的離合器和飛輪配合的花鍵配合間隙為0.119～0.201 mm，經(jīng)過計(jì)算并考慮到加工工藝水平，可以將其減小為0.074～0.139 mm。更改的花鍵配合間隙范圍取決于2點(diǎn)：一是為了滿足制造工藝能力；二是在制造工藝所能確保的精度下，保證花鍵配合最小作用側(cè)隙>0，從而確保變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常裝配。仿真結(jié)果(見圖6)表明，花鍵配合間隙為0.119～0.201 mm時(shí)，花鍵敲擊沖量為132.8 N·s，花鍵配合間隙為0.074～0.139 mm時(shí)，花鍵敲擊沖量為125.6 N·s，降低了5.4%。這說明花鍵配合間隙的調(diào)整對(duì)敲擊噪聲的影響比較有限。

另外，從圖6中可以看到，阻尼值對(duì)于降低花鍵敲擊沖量具有明顯的效果。當(dāng)阻尼值達(dá)2.0 Nm時(shí)，花鍵敲擊沖量從132.8 N·s降低為53.2 N·s，降低60%左右。結(jié)合花鍵側(cè)隙減小和阻尼2.0 Nm方案，可以將花鍵敲擊沖量降低65.4%；從理論上講，可以明顯降低花鍵敲擊噪聲。

5 方案實(shí)施及效果驗(yàn)證

5.1 方案實(shí)施

上述仿真結(jié)果說明，在花鍵配合兩端增加阻尼結(jié)構(gòu)可以有效降低花鍵敲擊沖量?；ㄦI配合一端是飛輪，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上，另一端是離合器，安裝于變速箱上，故阻尼機(jī)構(gòu)必須在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱裝配后，即飛輪和離合器通過花鍵配合連接后，在飛輪和離合器裝配所形成的空間結(jié)構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)阻尼的功能。

本文利用飛輪和離合器裝配后所形成的軸向空間，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻尼、帶開槽的碟簧機(jī)構(gòu)。開槽碟簧能在較小的載荷下產(chǎn)生較大的變形，常用于軸向尺寸受到限制，而允許有較大橫向尺寸的場(chǎng)合[2]。這種碟簧非常適合安裝在飛輪和離合器間所形成的有限軸向空間里。碟簧機(jī)構(gòu)布局見圖7。

碟簧機(jī)構(gòu)固定于離合器端面上，其端面靠近飛輪一側(cè)，包括碟簧底板(離合器花鍵盤)、碟簧、碟簧蓋板等。碟簧的中心線與離合器中心線一致，大端處于離合器端面上，碟簧上面有蓋板，并通過掛鉤與碟簧下端的碟簧底板固定，把碟簧限于其中，防止碟簧脫出。碟簧在離合器上的布局結(jié)構(gòu)見圖8。

當(dāng)變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后，被壓縮的碟簧在飛輪和離合器花鍵盤之間產(chǎn)生軸向力，當(dāng)飛輪和離合器相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻尼。由于裝配尺寸鏈的存在，軸向空間值是一個(gè)范圍，經(jīng)計(jì)算此車型飛輪和離合器軸向空間值為2.5 mm±1.49 mm。為了保證在不同的間隙下都有較大的阻尼，即保證碟簧有較大的軸向力，碟簧的設(shè)計(jì)要確保其在該軸向空間值的范圍內(nèi)軸向力大于某個(gè)設(shè)定值。

摩擦力矩計(jì)算公式[3]如下：

T=zFRμ

(2)

式中：T為摩擦力矩，Nm；z為摩擦面數(shù)量，為1；F為碟簧軸向力，N；R為碟簧(小端)半徑，mm；μ為金屬間摩擦系數(shù)，一般取0.12。

通過式(2)得到碟簧的軸向力F：

F=T/(Rμz)

(3)

基于現(xiàn)有空間限制，碟簧大端半徑設(shè)計(jì)為76.8 mm，小端半徑為52.6 mm；因小端半徑?jīng)Q定了摩擦阻尼，故R取52.6 mm。當(dāng)滯后阻尼為2.0 Nm時(shí)，摩擦力矩T為1.0 Nm。經(jīng)計(jì)算，碟簧軸向力F為158.4 N。為了保證碟簧機(jī)構(gòu)阻尼≥2 Nm，須保證安裝高度(2.5 mm±1.49 mm)下的碟簧軸向力≥158.4 N?？紤]到碟簧機(jī)構(gòu)在使用過程中因磨損而導(dǎo)致其軸向力衰減等因素，將碟簧軸向力下限值設(shè)計(jì)為目標(biāo)值的1.1倍。利用碟簧的力學(xué)特性，基于本方案的要求，設(shè)計(jì)了本方案的碟簧剛度特性，見圖9?？梢钥吹?，在碟簧安裝高度下極限1.0 mm和上極限4.0 mm時(shí)，碟簧的軸向力最小，但碟簧的軸向力值都>179 N。即由此設(shè)計(jì)產(chǎn)生的摩擦力矩>1.1 Nm，滯后阻尼>2.2 Nm，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 效果驗(yàn)證

將原設(shè)計(jì)方案和帶碟簧機(jī)構(gòu)的離合器安裝于問題車輛，測(cè)試無碟簧機(jī)構(gòu)和有碟簧機(jī)構(gòu)的整車噪聲，結(jié)果如圖10所示。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，帶有碟簧機(jī)構(gòu)的噪聲明顯改善，在1 500 Hz處花鍵敲擊噪聲明顯降低，分貝值從38 dB降低到約18 dB，基本消除了花鍵敲擊噪聲。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，在雙質(zhì)量飛輪共振區(qū)間(～340 r/min)會(huì)產(chǎn)生沖擊，由于阻尼的抑制作用，雙質(zhì)量飛輪本身彈簧和法蘭盤的敲擊噪聲及飛輪和離合器花鍵的敲擊噪聲都得到了很好的抑制，熄火敲擊噪聲也明顯改善?？梢哉f，碟簧機(jī)構(gòu)不僅消除了怠速不充電時(shí)的花鍵敲擊噪聲，也明顯改善了熄火時(shí)的敲擊噪聲，很好提升了整車的NVH品質(zhì)。

6結(jié)論

本文針對(duì)混合動(dòng)力變速箱發(fā)生的飛輪和離合器花鍵敲擊問題，提出創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，并申請(qǐng)了發(fā)明專利。通過設(shè)計(jì)新的碟簧機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)阻尼，從而消除了怠速時(shí)的花鍵敲擊噪聲，同時(shí)也改善了熄火時(shí)雙質(zhì)量飛輪的敲擊噪聲，很好地提升了整車NVH品質(zhì)。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車來說，新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的巨大差異，在NVH方面必將存在新的挑戰(zhàn)，只有用創(chuàng)新的思路，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，才能更好地應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)，開發(fā)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。