電驅(qū)動(dòng)差速器扭矩分配研究與優(yōu)化

聶少文, 薛 龍, 雷 君, 余秋石, 付 麗

(東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,武漢 430056,E-mail:nsw1161188120@163.com)

在國(guó)家政策的激勵(lì)下,近年來(lái)新能源汽車得到了飛速發(fā)展。由于新能源車型的純電工況,電機(jī)背景噪音較小,因此,對(duì)整車噪音的要求越來(lái)越嚴(yán)苛。傳動(dòng)系統(tǒng)作為整車的關(guān)鍵系統(tǒng),也是NVH問(wèn)題的主要來(lái)源之一。因此,對(duì)新能源傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行NVH研究具有重要的意義。

差速器作為整車轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵零部件,轉(zhuǎn)向時(shí)由于內(nèi)部的摩擦扭矩實(shí)現(xiàn)左右車輪的差速轉(zhuǎn)彎,但如有摩擦扭矩過(guò)大,會(huì)帶來(lái)變速箱和傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)共振帶來(lái)整車的NVH問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]通過(guò)整車的轉(zhuǎn)彎異響問(wèn)題,指出摩擦扭矩是帶來(lái)轉(zhuǎn)彎異響的關(guān)鍵原因,但未從設(shè)計(jì)出發(fā)對(duì)于該問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明,也無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系;文獻(xiàn)[2]對(duì)于差速器的扭矩分配進(jìn)行了理論分析,也進(jìn)行了整車測(cè)試說(shuō)明,但無(wú)扭矩分配對(duì)于整車NVH的關(guān)聯(lián)說(shuō)明,同時(shí)對(duì)于摩擦扭矩內(nèi)容分析缺少齒輪之間的摩擦扭矩?；诖?本文通過(guò)對(duì)摩擦扭矩的分析,建立了差速器扭矩分配系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,同時(shí)也對(duì)于扭矩分配與整車NVH表現(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比分析,指出了差速器NVH優(yōu)化方法與關(guān)鍵影響因子,最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出方法的正確性。

1 差速器摩擦扭矩分析模型

1.1 差速器摩擦扭矩原理

差速器內(nèi)部摩擦扭矩為差速器固有特性,在汽車直行過(guò)程中,由于整車無(wú)差速,左右半軸扭矩轉(zhuǎn)速相同;當(dāng)汽車發(fā)生打滑或者轉(zhuǎn)彎過(guò)程時(shí),差速器內(nèi)部出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生摩擦扭矩[3]。

差速器內(nèi)部摩擦扭矩的示意圖如圖1所示。

圖1 差速器內(nèi)部摩擦副示意圖

如圖1所示,產(chǎn)生摩擦扭矩的主要來(lái)源于半軸齒輪墊片處摩擦扭矩、行星齒輪與半軸齒輪摩擦扭矩、行星齒輪墊片處摩擦扭矩以及行星軸處摩擦扭矩[4]。

1.2 差速器摩擦扭矩模型

通過(guò)對(duì)于摩擦副的分析,目前摩擦扭矩主要來(lái)源于四個(gè)部分,即半軸齒輪墊片處摩擦扭矩M1、行星齒輪墊片處摩擦扭矩M2、齒輪之間的摩擦扭矩M3、以及行星軸處摩擦扭矩M4[5]。

針對(duì)墊片處的摩擦扭矩,通過(guò)對(duì)表面壓力以及摩擦力分析;再通過(guò)積分可知:

(1)

式中:μ1為半軸墊片與差速器殼體以及半軸齒輪之間的摩擦系數(shù);F1為半軸齒輪軸向力;R1為半軸墊片外圈直徑;r1為半軸墊片內(nèi)圈直徑;μ2為行星墊片與差速器殼體以及行星齒輪之間的摩擦系數(shù);F2為行星齒輪軸向力;R2為行星墊片外圈直徑;r2為行星墊片內(nèi)圈直徑;μ3為行星軸與行星齒輪孔之間的摩擦系數(shù);F3為行星軸正壓力,d為行星軸軸徑;

實(shí)際的摩擦扭矩Tf則是此四部分的摩擦扭矩之和,則有:

(2)

2 差速器扭矩分配數(shù)學(xué)模型

2.1 差速器TBR原理[7]

差速器TBR(Torque Bia Ratio)表示的是差速器扭矩分配系數(shù),表示的是差速器在進(jìn)行差速過(guò)程中,左右半軸的扭矩之比。在汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中,由于行星齒輪的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的綜合摩擦扭矩致使左右半軸產(chǎn)生扭矩差。在進(jìn)行差速器運(yùn)轉(zhuǎn)初期,由于初期的表面需要磨合,TBR會(huì)出現(xiàn)一定的變化并逐漸趨于穩(wěn)定,但如果差速器出現(xiàn)表面質(zhì)量不良,初期的TBR將會(huì)遠(yuǎn)大于磨合后的TBR[6]。

2.2 差速器TBR數(shù)學(xué)模型

通過(guò)對(duì)差速器傳遞扭矩分析,差速器扭矩之間關(guān)系如下:

(3)

式中:T1為旋轉(zhuǎn)較快半軸齒輪扭矩;T2為旋轉(zhuǎn)較慢半軸齒輪扭矩;T0為差速器端主減齒輪扭矩;

通過(guò)上述公式分析,則差速器TBR為:

(4)

通過(guò)公式可知:摩擦扭矩的增加會(huì)直接導(dǎo)致TBR的增加,也會(huì)體現(xiàn)在左右輪邊扭矩上。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例

3.1 原始設(shè)計(jì)方案

本文通過(guò)方案對(duì)比進(jìn)行TBR設(shè)計(jì)的優(yōu)化說(shuō)明。原始設(shè)計(jì)方案主要參數(shù)如下:

通過(guò)摩擦扭矩的數(shù)學(xué)模型,綜合摩擦扭矩為:491.26 Nm;理論計(jì)算TBR=1.39。在進(jìn)行扭矩分配測(cè)試中,測(cè)試摩擦扭矩為1.35～1.40之間。該設(shè)計(jì)在整車以及臺(tái)架測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了差速器NVH問(wèn)題,如圖2所示。

圖2 改善前臺(tái)架測(cè)試振動(dòng)圖

由圖2可知:在0 s～350 s開(kāi)展差速測(cè)試,臺(tái)架振動(dòng)超差,不滿足振動(dòng)要求1.6g;在350 s～800 s時(shí)開(kāi)展無(wú)差速工況,振動(dòng)無(wú)異常,滿足振動(dòng)要求。問(wèn)題表明該差速器在差速過(guò)程中存在NVH問(wèn)題,為進(jìn)一步確認(rèn)是否影響整車表現(xiàn),在整車上開(kāi)展測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 差速器異響整車工況分析圖

通過(guò)圖3可知在整車上,進(jìn)行差速工況同時(shí)油門為Tip in and Tip out的時(shí)候,差速器附近出現(xiàn)異響,振動(dòng)超差[7];噪音較大,表現(xiàn)為蹦蹦音,不可接受。

3.2 問(wèn)題排查與分析

3.2.1 異響問(wèn)題臺(tái)架測(cè)試[8]

為進(jìn)一步確認(rèn)影響因素,對(duì)異響差速器以及無(wú)異響差速器進(jìn)行臺(tái)架差速對(duì)比分析,通過(guò)對(duì)于穩(wěn)定差速工況的分析,發(fā)現(xiàn)二者之間存在明顯差異[9]。圖4為差速器TBR測(cè)試原理圖:輸入電機(jī)進(jìn)行扭矩控制,輸出電機(jī)1、2進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制[10]。輸入扭矩采用0～0.5倍電機(jī)額定最大扭矩,輸出轉(zhuǎn)速設(shè)定為80 km/h對(duì)應(yīng)車速轉(zhuǎn)速,兩端差速器為汽車車輪允許最大車速進(jìn)行測(cè)試[11]。

圖4 差速器TBR測(cè)試臺(tái)架原理圖

圖5所示為異響差速器的左右半軸扭矩分布情況:在差速初期階段,TBR數(shù)據(jù)為1.53(505 Nm/330 Nm),此時(shí)異響噪音明顯;隨著差速工況的進(jìn)行,結(jié)合面之間摩擦系數(shù)進(jìn)一步下降,TBR數(shù)據(jù)穩(wěn)定在1.40(470 Nm/336 Nm)左右,此時(shí)異響消失,無(wú)噪音抱怨[12]。

圖5 異響差速器臺(tái)架扭矩分布

圖6所示為無(wú)異響抱怨差速器的穩(wěn)定差速工況表現(xiàn)。從圖6中可以發(fā)現(xiàn),差速工況下,差速器TBR無(wú)明顯變化,一致穩(wěn)定在1.40(480 Nm/345 Nm)左右,并未隨著差速工況的開(kāi)展帶來(lái)明顯的變化[13]。

圖6 無(wú)異響差速器臺(tái)架扭矩分布

3.2.2 樣箱拆解分析

通過(guò)對(duì)于異響對(duì)比差速器總成拆解,拆解發(fā)現(xiàn),異響差速器內(nèi)部毛刺嚴(yán)重,半軸墊片存在毛刺,導(dǎo)致半軸墊片磨損嚴(yán)重,同時(shí)存在鐵屑;無(wú)異響樣件整體狀態(tài)較好,無(wú)毛刺等現(xiàn)象。

該現(xiàn)象表明:由于結(jié)合面之間的毛刺存在,導(dǎo)致摩擦副摩擦扭矩過(guò)大,超過(guò)設(shè)計(jì)TBR限值,造成異響[14]。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化與改善

3.3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于目前的制造加工的實(shí)際能力限制,為進(jìn)一步消除差速器NVH問(wèn)題,提升設(shè)計(jì)冗余,將設(shè)計(jì)TBR進(jìn)一步降低,將行星墊片與差速器殼體、行星齒輪間摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低,同時(shí)改善行星軸與行星齒輪之間的摩擦扭矩,將行星齒輪進(jìn)行磷化處理[15]。

圖7所示為改善前(a)與改善后(b)的行星齒輪示意圖。磷化處理可以改善結(jié)合面之間的摩擦系數(shù),將μ1和μ3從0.15降低至0.10～0.12左右,有效改善摩擦面之間的摩擦扭矩,降低TBR數(shù)據(jù)。

圖7 改善前后行星齒輪對(duì)比圖

3.3.2 改善效果驗(yàn)證

通過(guò)優(yōu)化后的差速器總成,開(kāi)展臺(tái)架扭矩分配測(cè)試,從圖8中可以發(fā)現(xiàn),TBR進(jìn)一步得到降低,從1.40降低為1.28附近,大大地提高了設(shè)計(jì)冗余[16]。

圖8 改善后扭矩分配曲線圖

改善后樣件開(kāi)展臺(tái)架的振動(dòng)測(cè)試,通過(guò)對(duì)無(wú)差速與有差速的工況進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,對(duì)比發(fā)現(xiàn),圖9(a)為直行工況,圖9(b)為差速工況,二者振動(dòng)均滿足振動(dòng)限值要求,同時(shí)無(wú)明顯差異,表明優(yōu)化有效。

同時(shí)基于改善后的樣件進(jìn)行樣車測(cè)試,通過(guò)整車測(cè)試,無(wú)差速器NVH問(wèn)題抱怨,目前該車已經(jīng)正式生產(chǎn),市場(chǎng)表現(xiàn)良好,也證明本文提出的TBR設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法與實(shí)際吻合。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)差速器TBR進(jìn)行分析,得出差速器摩擦扭矩以及TBR綜合分析數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)比無(wú)異響以及有異響零件差異,提出了一種設(shè)計(jì)冗余改善異響的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,該方法實(shí)際驗(yàn)證有效,為后續(xù)的差速器設(shè)計(jì)提供了一種新的參考。