某款混動車輛傳動系統扭振設計及驗證

袁龍 雷君 顧書東 王丹 李智

摘 要：本文研究某款混合動力車輛傳動系統的扭振設計，包含限扭減振器的產品結構、關鍵參數設計、以及傳動系統仿真和試驗方法。首先根據發動機飛輪端輸出的最大扭矩和扭轉角加速度，及變速箱允許的最大扭轉角加速度確定限扭減振器的彈簧剛度及最大轉角等設計參數，然后根據整車傳動系統部件的轉動慣量和扭轉剛度等參數利用Amesim進行傳動系扭振分析，最后在實車上進行NVH驗證。實車試驗結果表明限扭減振器的設計參數達到整車性能要求，仿真分析與實車驗證結果基本一致。

關鍵詞：混合動力；限扭減振器；變速箱；扭轉角加速度

中圖分類號：U469.72+2 文獻標識碼：B 文章編號：1005-2550（2018）05-0073-05

Abstract： This paper research one PHEV vehicle transmission system torsional vibration design， contains torque limiter damper（ab. TL） structure， key parameters design， simulation and test method. First according to ICE output maximum torque and torsional angle acceleration， and transmission permitting torsional angle acceleration to confirm TL stiffness and maximum permitting angle， then according to vehicle transmission parts rotary inertia and torsional stiffness， using Amesim software to analyse torsional vibration， at last carry out NVH testing on actual vehicle. The test result shows TL design parameters satisfy performance requirement， simulation analyse basically match vehicle test.

Key Words： PHEV； torque limiter damper； transmission； torsional angle acceleration

混動車輛傳動系統由一系列具有彈性和轉動慣量的傳動軸、齒輪和離合器等組成，傳動系統的扭轉共振現象往往對正常工作造成威脅，即發動機的工作頻率落在傳動系統的固有頻率附近或與其相重合[1]。通過對扭振模型中剛度、阻尼、激勵等參數的研究，采取有效的減振隔振等手段，以提高車輛動力傳動系統的性能和壽命[2]。下面以某款在開發中的混合動力乘用車動力傳動系統為分析對象，研究扭振參數的匹配設計、仿真與試驗方法。

1 混合動力系統介紹

圖1為某混合動力乘用車的傳動系統結構圖，該車輛主要行駛工況包含駐車發電、純電驅動、串聯行駛、并聯行駛、發動機驅動、行車發電和制動能量回收等。低速起步時驅動電機驅動車輛行駛，當動力電池容量降低到某值后車輛進入串聯行駛模式啟動發動機，此時發動機發電，發電機將電能充入動力電池內或直接驅動電機，變速箱內部離合器斷開，驅動電機驅動車輛。當車速上升到某值或急加速時，車輛進入并聯行駛，此時變速箱內部離合器接合，發動機和驅動電機動力耦合同時驅動車輛。當車速較高（>120km/h）或高速巡航時發動機多余的動力可以用來發電，當車輛滑行或制動時驅動電機可當做發電機使用，回收制動能量。另外駐車時啟動發動機也可通過發電機對動力電池充電。本文主要研究該混動車輛傳動系統限扭減振器的參數匹配，以及當發動機運轉時限扭減振器對車輛傳動系統扭轉振動及變速箱NVH性能的影響。

2 限扭減振器介紹

圖2為限扭減振器（Torque Limiter Damper）在傳動系統中的安裝結構圖，其利用碟形彈簧、摩擦片、花鍵轂等來傳遞發動機扭矩，當扭矩過載時依靠摩擦面之間打滑來防止傳動系統過載損壞，同時內部安裝有弧形彈簧扭轉減振器，可以將發動機飛輪端較大的扭轉振動角加速度衰減為變速箱輸入軸處較小角加速度，保護變速箱內部軸齒在扭轉沖擊時不受損壞，以及防止變速箱內部空轉齒輪產生敲齒聲等傳動系統NVH問題，其內部設置阻尼盤結構可衰減發動機的扭轉振動并轉化成熱能耗散掉，其與普通手動擋離合器的區別在于不需要換擋時可以分離的功能。

圖3為限扭減振器的剖面圖，圖4為限扭減振器的爆炸圖，包括發動機飛輪側壓盤1，變速箱側壓盤5以及將兩個壓盤固定在一起的鉚釘6。在飛輪側壓盤1和變速箱側壓盤5之間依次裝夾有碟形彈簧2、壓盤片3以及從動盤總成4。從動盤總成4中包含第一摩擦片、波形片和第二摩擦片，與傳統手動擋車型離合器相似，可通過摩擦面之間的摩擦傳遞發動機扭矩，當扭矩超過傳遞極限時，通過摩擦面打滑實現極限扭矩的限制以保護變速箱。另外，從動盤總成中還包含有預減振和主減振機構，總共可形成3級減振剛度，保證發動機在怠速運轉以及正常行駛等各工況時，均能起到降低傳動系統扭轉振動的效果，提升車輛動力總成NVH性能。

3 限扭減振器關鍵參數設計

該混合動力乘用車整備質量1725kg，滿載質量2125kg，傳動系統發動機、驅動電機和發電機的相關設計輸入參數如表1。發動機的最大輸出扭矩為196Nm，限扭減振器通過螺栓與剛性單質量飛輪連接，基于傳動系統傳扭安全性考慮需乘以1.25倍的安全系數，因此限扭減振器的最大傳遞扭矩Tmax=196Nm×1.25=245Nm，根據弧形彈簧的制造工藝設計該限扭減振器的最大轉角θ為±25°，因此剛度值計算如下公式（1）：

發動機的飛輪端輸出扭矩波動曲線如圖5，其中橫軸為轉速，縱軸為角加速度。當變速箱輸入軸接受到的扭轉角加速度較大時，內部的空轉齒輪對由于存在一定間隙，會造成齒輪敲擊聲，因此限扭減振器的主要功能是降低傳遞給變速箱輸入軸的扭轉波動，要求車輛在各個行駛工況下輸入給變速箱的扭轉角加速度值不得大于500 rad/s2（0-Peak值）。

4 變速箱扭振仿真分析

基于圖1的混合動力乘用車傳動系統結構，利用Amesim軟件建立車輛傳動系統扭振仿真模型[3]，在限扭減振器的從動盤總成中，由弧形彈簧驅動的盤轂盤等部分轉動慣量占從動盤總成轉動慣量的1/4，在建立模型時需分開處理，搭建好的仿真分析模型如圖6。圖中I為對應部分的轉動慣量，K為對應部分的剛度，零件的數字標記方式與圖1相同。I_發電機表示發電機內旋轉部件的轉動慣量，I_驅動電機表示驅動電機內旋轉部件的轉動慣量。

部分參數在仿真開展時較難獲取，需要根據經驗數據預估，主要如下表3。

根據圖5的發動機扭矩波動輸入曲線，分析在全油門工況下的系統扭振表現，即變速箱輸入軸處的扭轉角加速度波動。在設置不同的限扭減振器阻力矩下，對模型進行仿真之后的變速箱輸入軸處角加速度曲線如圖7。圖中橫軸為發動機轉速，縱軸為變速箱輸入軸處角加速度0-Peak峰值，當發動機轉速小于4500rpm時，變速箱輸入軸處的角加速度最大峰值不超過250 rad/s2，當轉速為5060rpm時，變速箱輸入軸處角加速度產生共振峰值。設置限扭減振器遲滯阻力矩大小分別為4.9Nm，9.8Nm和19.6Nm，從曲線中看出阻力矩對扭振過濾效果有反向作用，增大阻力矩將影響過濾效果，若減小阻力矩則可以增強扭振過濾效

果，當遲滯阻力矩為最小值4.9Nm時，變速箱輸入軸處的共振扭矩波動最小，但此時角加速度峰值已超過600rad/s2，為避開此時的共振峰值區間，根據發動機額定的最高轉速為5500rpm，因此需要通過標定策略控制發動機在全油門工況下的極限轉速不超過5000rpm。

圖8為設置不同變速箱輸入軸（shaft2）的阻尼，經過仿真之后變速箱輸入軸處的角加速度波動曲線。設置變速箱輸入軸阻尼大小分別為2 Nm/（rad/s），5 Nm/（rad/s）和10 Nm/（rad/s），從曲線中看出當輸入軸阻尼最大時，變速箱輸入軸處共振扭矩波動峰值最?。s300rad/s2），同樣可通過標定全油門工況時發動機極限轉速低于5000rpm來避開共振區間。

5 整車NVH試驗驗證

在進行仿真分析之后，需要對實車的傳動系統做NVH驗證。按參考文獻[5]中所述測試方法，需采集的數據包括：發動機飛輪轉速信號，變速箱輸入軸轉速信號，變速箱殼體振動加速度信號（3向），以及駕駛員座椅導軌處的振動加速度信號（3向）和麥克風噪聲信號。利用LMS數采系統采集以上各通道的信號，其扭振分析模塊可在軟件內部將測試到的轉速信號換算為角速度值，進而對時間軸求導計算出角加速度值。

具體測試工況及測試結果如表4，采用限扭減振器遲滯阻力矩為19.6Nm，變速箱輸入軸阻尼為2Nm/（rad/s）的測試樣件，結果表明在該車發動機參與工作的各工況下敲齒聲主觀評分均可接受，最大的輸入軸角加速度0-Peak值為363rad/s2。

為了驗證仿真分析中限扭減振器遲滯阻力矩和變速箱輸入軸阻尼變化對變速箱輸入軸角加速度0-Peak值結果影響的正確性，采用試制9種不同狀態的樣件進行了對比試驗，試驗工況統一為發動機從0到5000rpm的全油門加速，試驗結果如表5，從實測數據可以看出：當變速箱輸入軸阻尼一定時，限扭減振器遲滯阻力矩越大，輸入軸角加速度0-Peak值越大；當限扭減振器遲滯阻力矩一定時，變速箱輸入軸阻尼越小，輸入軸角加速度0-Peak值越大。最后，在實車上測試了發動機啟動和停機時的發動機轉速/角加速度、變速箱轉速/角加速度、限扭減振器弧形彈簧角位移及駕駛員座椅導軌處振動加速度，測試的曲線如圖9和圖10，測試結果表明該車在發動機啟動和停機工況無敲齒聲，車輛振動和噪聲在允許范圍之內。發動機怠速發電時的轉速可通過標定軟件調整，在試驗過程中設置怠速發電轉速從900rpm到1200rpm調整，間隔轉速為100rpm。

6 總結

（1）本文根據某款混合動力乘用車發動機輸出的最大扭矩和扭轉角加速度，及變速箱允許的最大扭轉角加速度計算確定限扭減振器的剛度及最大轉角等關鍵參數，對零件的正向設計起到一定指導作用。

（2）根據整車傳動系統部件的轉動慣量和扭轉剛度等參數利用Amesim軟件進行對整車傳動系統進行建模，同時對變速箱進行扭振分析，結果表明變速箱的扭轉角加速度在其允許范圍之內，變速箱無敲齒聲等NVH問題產生。

（3）在實車上進行NVH驗證，通過傳感器和數采系統對所需信號進行采集和分析，實車試驗結果表明傳動系統扭振相關的設計參數達到性能要求，試制不同遲滯阻力矩和輸入軸阻尼參數的樣件，結果表明仿真分析與實車驗證結果基本一致。

本文對混合動力乘用車傳動系統的扭振系統參數設計、仿真模型建立、仿真分析及試驗驗證具有較好指導作用，對類似的實車項目開發具有較好的借鑒意義。

參考文獻：

[1]魏來生.某車傳動系統扭振特性分析[J].車輛與動力技術，2003（3）：37-44.

[2]趙海波，項昌樂，劉輝.車輛動力傳動系統扭轉振動研究的理論與方法[J].新技術新工藝，2007（4）：37-40.

[3]付永領，祁曉野.Amesim系統建模仿真-從入門到精通[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]郭正康.汽車整車轉動慣量的計算與選取[J].汽車研究與開發，1993（6）：42-44.

[5]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.