混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)限扭減振器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究＊

嚴(yán)正峰 張嘉浩 劉翼聞 何冠侯

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009；2.蕪湖大捷離合器有限公司，蕪湖 241100）

主題詞：限扭減振器 混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) 扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 鍵合圖

1 前言

相比于傳統(tǒng)汽車，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的傳動(dòng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，因而噪聲和振動(dòng)問題更加突出[1-3]。傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可與車輛的縱向及其他方向的振動(dòng)耦合，從而產(chǎn)生復(fù)雜的噪聲和振動(dòng)[4]。因此，改善混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)具有重要意義。

目前，常用的方法是在傳動(dòng)系統(tǒng)上安裝扭轉(zhuǎn)減振器或者采用雙質(zhì)量飛輪[5-6]，前者相對(duì)于后者在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單，成本更低，應(yīng)用也更為廣泛。文獻(xiàn)[7]提出了一種干式摩擦片限扭減振器，利用構(gòu)成彈簧座的座板充當(dāng)摩擦板，使構(gòu)成彈簧座的一對(duì)座板彼此連接的鉚釘不負(fù)擔(dān)扭矩傳遞，從而減小鉚釘尺寸，延長使用壽命。文獻(xiàn)[8]提出了一種帶有分離抑制元件、裝配更簡(jiǎn)單的濕式摩擦片限扭減振器，能抑制摩擦因數(shù)的變化，使臨界扭矩穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9]提供了2種干式和2種濕式限扭減振器，分別裝有具有阻尼器總成的密封容器和扭矩限制器，扭矩限制器從驅(qū)動(dòng)單元接收轉(zhuǎn)矩并將轉(zhuǎn)矩傳遞到阻尼器。

本文針對(duì)一款混合動(dòng)力車型，詳細(xì)分析限扭減振器的結(jié)構(gòu)及工作原理，確定關(guān)鍵參數(shù)，開展限扭力矩與扭轉(zhuǎn)特性的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，并建立混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型，分析其減振效果，為限扭減振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 混合動(dòng)力汽車限扭減振器結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 所示為某款插電式混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種行星齒輪功率分流式結(jié)構(gòu)。行星齒輪組是混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率分流裝置，由太陽輪、行星輪、行星架和齒圈組成：太陽輪與發(fā)電機(jī)（MG1）相連，行星架通過限扭減振器與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連，齒圈是行星齒輪組的輸出裝置，其輸出的扭矩由齒輪減速機(jī)構(gòu)、差速器和半軸傳遞到車輪。該傳動(dòng)系統(tǒng)主要工作模式如表1所示。

圖1 某款混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 某款混合動(dòng)力汽車的工作模式

該混合動(dòng)力汽車復(fù)雜的工作模式使其傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振比傳統(tǒng)燃油汽車更大。為了使其擁有更好的NVH性能，減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上安裝了限扭減振器，一方面可以顯著減弱發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，另一方面可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)過大的扭矩使傳動(dòng)系統(tǒng)過載而損壞。

2.2 限扭減振器結(jié)構(gòu)及工作原理

限扭減振器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上，利用摩擦片、減振彈簧和花鍵轂等傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩超出其最大靜摩擦力力矩時(shí)，其摩擦片會(huì)打滑，以防止傳動(dòng)系后端元件過載。同時(shí)，限扭減振器內(nèi)部還安裝有扭轉(zhuǎn)減振器，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角加速度衰減為變速器輸入軸處較小的角加速度，使傳動(dòng)系有更好的NVH性能。

圖2所示為限扭減振器的爆炸圖，其中從動(dòng)盤總成包括摩擦片4、從動(dòng)片6、摩擦片7和扭轉(zhuǎn)減振器5，扭轉(zhuǎn)減振器5 安裝在從動(dòng)片6 上，主要由彈性元件（減振彈簧）和阻尼元件（阻尼片）等組成。由于限位塊的限制，減振彈簧的形變量存在上限，因此扭轉(zhuǎn)減振器所傳遞的最大扭矩受限于減振彈簧的許用應(yīng)力等因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。彈性元件的主要作用為降低傳動(dòng)系的輸入端扭轉(zhuǎn)剛度、降低傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，以及改變其固有振型；阻尼元件的主要作用是耗散振動(dòng)的能量。

圖2 限扭減振器爆炸圖

3 限扭減振器碟形彈簧彈性特性

碟形彈簧為壓盤片提供壓力，其參數(shù)直接影響作用在摩擦片上的壓力，進(jìn)而影響限扭減振器所能傳遞的最大扭矩。限扭減振器常采用單片碟形彈簧，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[10]。

圖3 無支承面單面碟形彈簧結(jié)構(gòu)示意[10]

本文采用的碟形彈簧材料為50CrVA，其彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 碟形彈簧尺寸參數(shù) mm

由文獻(xiàn)[11]可得單片碟簧負(fù)荷F為：

計(jì)算得碟形彈簧彈性特性曲線如圖4 所示。選取工作點(diǎn)f=0.75h0=3.45 mm時(shí)，F(xiàn)=5 615.30 N。

圖4 碟形彈簧彈性特性

4 限扭減振器限扭力矩及扭轉(zhuǎn)特性確定

限扭力矩決定了限扭減振器所能傳遞的最大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，它的確定要根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷能力和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力參數(shù)綜合考慮。本文以某款混合動(dòng)力汽車的限扭減振器參數(shù)為例，說明限扭力矩的確定過程，并進(jìn)一步確定其扭轉(zhuǎn)特性。

4.1 限扭力矩

限扭減振器的限扭力矩即其摩擦片的滑摩力矩Tslip，計(jì)算過程可參照傳統(tǒng)燃油汽車摩擦離合器的靜摩擦力矩Tc。限扭減振器摩擦片參數(shù)如表3 所示。

表3 限扭減振器摩擦片參數(shù)

平均摩擦半徑Rc為[12]：

式中，R=D1/2；r=d1/2。

得到Rc=108.34 mm，取摩擦因數(shù)f1=0.3，碟形彈簧的壓緊力F為5 334.54～5 896.07 N，摩擦片傳遞的靜摩擦力矩Tc為：

于是計(jì)算得到Tc為346.77～383.27 N·m，即為限扭力矩Tslip。

4.2 扭轉(zhuǎn)特性

限扭減振器使用的單級(jí)剛度扭轉(zhuǎn)減振器的扭轉(zhuǎn)特性參數(shù)如表4所示。扭轉(zhuǎn)角剛度k取決于減振彈簧的線剛度和結(jié)構(gòu)布置尺寸。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正向輸出扭矩時(shí)，限扭減振器扭轉(zhuǎn)特性公式為：

式中，T為限扭減振器傳遞的扭矩；θ為轉(zhuǎn)角。

由此得到限扭減振器扭轉(zhuǎn)特性如圖5所示。其中極限轉(zhuǎn)矩Tj為減振盤消除限位后所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，極限轉(zhuǎn)角θj為減振器從預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tn增加到極限轉(zhuǎn)矩Tj時(shí)的轉(zhuǎn)角。限扭減振器的限扭力矩Tslip為346.77～383.27 N·m。

圖5 限扭減振器扭轉(zhuǎn)特性

5 扭轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)與結(jié)果分析

限扭減振器扭轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)采用定扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為DNP-1500。該設(shè)備符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 27—2014《汽車干摩擦式離合器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法》，由于限扭減振器與傳統(tǒng)從動(dòng)盤式離合器的原理與結(jié)構(gòu)類似，因此可采用該設(shè)備進(jìn)行限扭減振器的扭轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)。

如圖6所示，將限扭減振器樣件安裝在定扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)置好扭轉(zhuǎn)力矩并進(jìn)行加載。

圖6 限扭減振器試驗(yàn)

試驗(yàn)得到的扭轉(zhuǎn)特性曲線如圖7所示，該限扭減振器的扭轉(zhuǎn)特性與計(jì)算結(jié)果基本一致。限扭力矩在350 N·m左右，與計(jì)算結(jié)果（346.77～383.27 N·m）相符合。

圖7 扭轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)結(jié)果

6 減振效果仿真

6.1 傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型

混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，尤其是通過行星輪系來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合的系統(tǒng)。因此，在傳動(dòng)系統(tǒng)建模常用的3 種方法（圖論方法、自動(dòng)建模方法以及鍵合圖方法）[1]中選用鍵合圖方法。與其他動(dòng)力學(xué)方法相比，鍵合圖方法可以用統(tǒng)一的方式處理多種能量形式并存的系統(tǒng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，并可以直觀地表示各元件之間的相互作用和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系[13-15]。另外，鍵合圖模型可以很容易地推導(dǎo)出系統(tǒng)狀態(tài)方程或者轉(zhuǎn)化為Simulink模型，以便使用MATLAB/Simulink來求解。

建模范圍包括飛輪、限扭減振器、行星齒輪組、減速器、差速器、半軸、車輪和車身。在模型建立時(shí)，采用了幾種簡(jiǎn)化措施[16-17]：

a.電機(jī)轉(zhuǎn)子、齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，因此將軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量集中到電機(jī)轉(zhuǎn)子、齒輪上；

b.曲軸和發(fā)動(dòng)機(jī)中其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量簡(jiǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

c.忽略輔助構(gòu)件，如機(jī)油泵等的影響；

d.忽略混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪磨損變形的影響；

e.忽略混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各軸、齒輪的加工誤差、安裝誤差及磨損變形；

f.忽略縱向振動(dòng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響。

由于限扭減振器主要衰減發(fā)動(dòng)機(jī)輸入端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，取發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的工況進(jìn)行建模仿真，得到的傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)鍵合圖模型如圖8 所示。

圖8 傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)鍵合圖模型

圖8中：Se1、Se33分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)扭矩輸入；Se54、Se61分別為作用在輪胎上的摩擦力矩和車身的空氣阻力與加速阻力之和；I2為飛輪與限扭減振器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；R4、C5分別為限扭減振器的阻尼和柔度；I8、I11、I18、I25分別為行星齒輪組行星架、太陽輪、行星輪和齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；I32、I34、I47分別為減速器中間軸、電動(dòng)機(jī)輸入軸齒輪、差速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；I53為輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；I60為車身的質(zhì)量；R16、C17、R22、C23、R29、C30、R38、C39、R44、C45、R50、C51為各對(duì)齒輪嚙合時(shí)的等效嚙合阻尼和等效嚙合柔度；R57、C58為輪胎的阻尼與柔度。

6.2 仿真模型及結(jié)果

盡管建立的鍵合圖模型具有全積分因果關(guān)系，可以運(yùn)用一定的步驟列寫出狀態(tài)方程，但是元件數(shù)量多，推導(dǎo)過程較為繁雜。因此，將鍵合圖模型轉(zhuǎn)化為方塊圖，再在Simulink中搭建仿真模型，利用MATLAB/Simulink求解。

模型的輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪處正弦波動(dòng)的轉(zhuǎn)矩：

式中，t1為時(shí)間；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；A為振幅；ω為頻率；T0為穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入扭矩激勵(lì)更加復(fù)雜，這里是對(duì)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)的一種簡(jiǎn)化[18]。

電動(dòng)機(jī)側(cè)的輸入為恒定的轉(zhuǎn)矩：

式中，Tm為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tcon為電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定輸出的轉(zhuǎn)矩。

角加速度是衡量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的重要參數(shù)之一，因此以傳動(dòng)系統(tǒng)元件的角加速度作為輸出。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同工作使車輛加速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)各主要元件角加速度如圖9～圖12所示。

從圖9～圖12 中可以看出：在發(fā)動(dòng)機(jī)正弦扭矩輸入的激勵(lì)下，傳動(dòng)系統(tǒng)各主要元件角加速度波動(dòng)幅值較大，且由于傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的嚙合阻尼較小，衰減較慢；在使用限扭減振器后，與限扭減振器連接的行星架處的角加速度波動(dòng)衰減速度明顯提高，2 s 后角速度波動(dòng)基本穩(wěn)定。故后端元件（齒圈、減速器中間軸、差速器）的角速度波動(dòng)均有了明顯改善。

圖9 行星架角加速度對(duì)比

圖10 齒圈角加速度對(duì)比

圖11 減速器中間軸角加速度對(duì)比

圖12 差速器角速度對(duì)比

6.3 減振效果主觀評(píng)價(jià)

目前，對(duì)于限扭減振器在混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的實(shí)際減振效果，大多采用主觀評(píng)價(jià)的方法。常采用的主觀評(píng)價(jià)表如表5所示。

表5 主觀評(píng)價(jià)表

該款限扭減振器交付后，實(shí)際安裝在該混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果為8分，減振效果好。

7 結(jié)論

a.在混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)常使用的限扭減振器設(shè)計(jì)中，所能傳遞的最大扭矩及減振效果是主要的考慮因素，因此最大靜摩擦力矩的確定，包括碟形彈簧的彈性特性、減振器的扭轉(zhuǎn)特性等是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

b.混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使用鍵合圖方法建模能夠方便地利用MATLAB/Simulink 軟件進(jìn)行仿真。

c.限扭減振器在發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)扭矩激勵(lì)輸出時(shí)，對(duì)于衰減傳動(dòng)系統(tǒng)后端元件扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的效果明顯，可以很好地改善混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的NVH性能。