混合動(dòng)力重卡行星傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲分析

梁偉智，賈 爽，李慎龍，曾小華

（1.吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025；2.中國(guó)北方車(chē)輛研究所車(chē)輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072）

1 引言

混合動(dòng)力技術(shù)是當(dāng)今新能源汽車(chē)重要的研究方向之一，隨著混合動(dòng)力技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)的應(yīng)用也逐漸由轎車(chē)向客車(chē)、卡車(chē)等其他車(chē)型發(fā)展[1]。行星混動(dòng)重卡作為混合動(dòng)力重卡的重要構(gòu)型之一，其內(nèi)部的功率分流裝置可以更大程度上地提升節(jié)油空間，由于減少了變速器的擋位數(shù)量，傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性得到了提高，同時(shí)避免了變速器復(fù)雜控制策略的開(kāi)發(fā)。但行星混動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)可能會(huì)發(fā)出明顯的嘯叫噪聲，這會(huì)降低車(chē)輛的舒適性，同時(shí)各動(dòng)力源的轉(zhuǎn)矩突變也會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)噪聲，因此有必要對(duì)新型混動(dòng)重卡的行星傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析。

目前，對(duì)行星混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲研究多集中在轎車(chē)和客車(chē)，鮮有在卡車(chē)上。文獻(xiàn)[2]通過(guò)ADAMS建立了行星混聯(lián)式混合動(dòng)力客車(chē)的虛擬樣機(jī)模型，分析了系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，探究了各階模態(tài)頻率對(duì)傳動(dòng)系受迫振動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)UG軟件和ANSYS軟件建立了雙行星排式動(dòng)力耦合系統(tǒng)的有限元模型，并利用LMS.Virtual.Lab軟件分析了動(dòng)力耦合系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲；文獻(xiàn)[5]對(duì)深度混合動(dòng)力汽車(chē)的扭振和噪聲進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在純電動(dòng)模式和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式下，自激噪聲在混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中起著重要作用。

目前轎車(chē)的行星混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的比較成熟，該系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題已經(jīng)得到最大程度的改善；宇通客車(chē)與吉林大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款行星混動(dòng)客車(chē)[6]，通過(guò)主動(dòng)與被動(dòng)的扭振控制顯著降低了該系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲情況；當(dāng)前混動(dòng)重卡以并聯(lián)混動(dòng)為主，行星混動(dòng)重卡的研究較少，由于重卡質(zhì)量大，載重量大，部件磨損嚴(yán)重，如果行星混動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲嚴(yán)重，行星排各部件極易損壞，不僅會(huì)降低整車(chē)可靠性與安全性，還會(huì)影響駕駛室的舒適性。由于行星混動(dòng)重卡具有較好的節(jié)油前景，可以更大程度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，對(duì)于高油耗的重卡而言，行星混動(dòng)重卡是未來(lái)重卡的重要發(fā)展趨勢(shì)。文中以一款新型混合動(dòng)力重卡為研究對(duì)象，通過(guò)Romax軟件建立行星傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型，通過(guò)觀察滾動(dòng)軸承加速度變化情況，分析在行星排傳遞誤差激勵(lì)下的系統(tǒng)的嘯叫噪聲；最后分析在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)激勵(lì)下，系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，文中研究對(duì)重卡混動(dòng)化、高速化、重載化的發(fā)展具有重要意義。

2 混合動(dòng)力重卡系統(tǒng)構(gòu)型

文中研究的混合動(dòng)力重卡系統(tǒng)構(gòu)型，如圖1所示。研究過(guò)程中使用的整車(chē)參數(shù)，如表1所示。該系統(tǒng)中的行星排是實(shí)現(xiàn)功率分流的主要裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)功率流入行星排后，一部分功率通過(guò)電機(jī)MG1（Motor Generator 1）為電池充電，另一部分功率通過(guò)行星排齒圈進(jìn)行動(dòng)力輸出；電池為電機(jī)MG2（Motor Generator 2）供能，電機(jī)MG2輸出轉(zhuǎn)矩與行星排齒圈輸出轉(zhuǎn)矩耦合后輸入變速器，變速器采用的是4擋AMT（Automatic Mechanical Transmission），變速器后接車(chē)橋。

圖1 混合動(dòng)力重卡系統(tǒng)構(gòu)型Fig.1 Configuration Diagram of Hybrid Heavy Truck

表1 整車(chē)參數(shù)Tab.1 Vehicle Parameters

該混合動(dòng)力重卡具有多種行駛模式，包括發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式、純電動(dòng)模式、混合動(dòng)力模式、再生制動(dòng)模式、機(jī)械制動(dòng)模式等，通過(guò)功率分流裝置可以使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在高效區(qū)，并根據(jù)不同行駛工況合理切換行駛模式使得整車(chē)具有較好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，使用行星混動(dòng)系統(tǒng)可以減少變速器擋位，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，降低了整車(chē)成本。

3 行星傳動(dòng)系統(tǒng)三維建模

這里研究的混合動(dòng)力重卡的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括行星排機(jī)構(gòu)、4擋AMT、后橋等裝置，通常嘯叫噪聲產(chǎn)生于行星排或變速器中，因此文中建立由行星排機(jī)構(gòu)和4擋AMT組成的行星傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)前建立傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型并能進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的軟件有Ro?max、Adams等[7-8]，文中則基于Romax建立了行星傳動(dòng)系統(tǒng)模型，建模時(shí)使用的行星排參數(shù)、變速器齒輪參數(shù)，如表2、表3所示。

表2 行星排參數(shù)Tab.2 Parameters of Planet Row

表3 變速器齒輪參數(shù)Tab.3 Parameters of Transmission Gear

行星傳動(dòng)系統(tǒng)中的變速器采用的是中間軸式變速器，變速器中間軸做成齒輪軸，變速器第二軸與中間軸上各齒輪通過(guò)同步器接合。當(dāng)該系統(tǒng)處于某一擋位時(shí)，該擋位對(duì)應(yīng)的齒輪組與變速器第二軸接合，該軸上其他齒輪則處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。該變速器共有4對(duì)齒輪組，其中齒輪組1為常嚙合齒輪組，各擋位下運(yùn)轉(zhuǎn)的嚙合齒輪組，如圖2所示。其中，四擋為直接擋，通過(guò)離合器將變速器第一軸與變速器第二軸直接連接。

圖2 各擋位下運(yùn)行的齒輪組Fig.2 Gear Sets Operating in Various Gears

基于上述傳動(dòng)系統(tǒng)部件的尺寸參數(shù)和材料屬性，分別建立行星排和變速器中各齒輪組，并將主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪分別安裝到各自對(duì)應(yīng)的軸上。軸承選用可以同時(shí)承受徑向力和軸向力的滾動(dòng)軸承，并根據(jù)軸頸大小選擇合適的軸承型號(hào)。該行星傳動(dòng)系統(tǒng)中的各零部件模型，如圖3所示。由于這里僅研究高速擋下行星傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，不涉及到換擋過(guò)程，所以這里將齒圈輸出軸與變速器第一軸進(jìn)行集成。將上述建立的各零部件進(jìn)行裝配，得到的行星傳動(dòng)系統(tǒng)三維裝配模型，如圖4所示。

圖3 行星傳動(dòng)系統(tǒng)零部件模型Fig.3 Component Models of Planetary Transmission System

圖4 行星傳動(dòng)系統(tǒng)三維裝配模型Fig.4 Three-dimensional Assembly Model of Planetary Transmission System

4 嘯叫噪聲分析

嘯叫噪聲是一種傳動(dòng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的噪聲，由于齒輪在制造、加工、裝配過(guò)程中存在誤差，且齒輪在嚙合過(guò)程中會(huì)發(fā)生形變，使得主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪之間存在傳遞誤差，進(jìn)而在傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生嘯叫噪聲[9]。

為探究行星傳動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)噪聲情況，在四擋條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為1800Nm，MG1額定功率為85kW時(shí)，對(duì)行星傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入位置設(shè)置在太陽(yáng)輪輸入軸前端，電機(jī)MG1功率輸入位置設(shè)置在行星架輸出軸前端，電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩輸入位置設(shè)置在齒圈輸出軸與變速器第一軸的中間位置。仿真前需要設(shè)置功率流，確定該擋位下各離合器的接合狀態(tài)，此時(shí)設(shè)置變速器第一軸與變速器第二軸之間的離合器接合，其他離合器分離。由于行星傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部齒輪的動(dòng)態(tài)載荷最終通過(guò)軸承傳遞到殼體，并引起殼體表面振動(dòng)從而向外輻射噪聲，因此可以根據(jù)滾動(dòng)軸承加速度的變化情況來(lái)判斷行星傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的振動(dòng)噪聲情況[10]，在行星排齒輪傳遞誤差激勵(lì)下，支承不同軸的滾動(dòng)軸承的加速度變化情況，如圖5所示。

根據(jù)圖5（a），支承太陽(yáng)輪輸入軸的滾動(dòng)軸承的加速度曲線存在兩處較大波峰，在這兩處波峰對(duì)應(yīng)的頻率下，太陽(yáng)輪輸入軸存在較大的振動(dòng)，特別是在太陽(yáng)輪輸入軸轉(zhuǎn)速達(dá)到6400r∕min左右時(shí)，該部件會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的振動(dòng)噪聲；根據(jù)圖5（b），支承行星架輸出軸的滾動(dòng)軸承的加速度曲線相對(duì)較光滑，說(shuō)明在當(dāng)前輸入條件下，行星架輸出軸的振動(dòng)相對(duì)較小；根據(jù)圖5（c），支承齒圈輸出軸的滾動(dòng)軸承的加速度曲線存在一處波峰，但波峰起伏不大，說(shuō)明齒圈輸出軸僅發(fā)生輕微振動(dòng)。

圖5 各軸承加速度結(jié)果Fig.5 Acceleration Results of Each Rolling Bearing

5 系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

在不同行駛工況下，混合動(dòng)力汽車(chē)各動(dòng)力源會(huì)有不同的輸出轉(zhuǎn)矩，這種多動(dòng)力源的各異動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)不同程度的振動(dòng)，這不僅會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)損傷，還會(huì)影響整車(chē)舒適性。為探究行星傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在四擋條件下分別給發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩和電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩添加1Nm的轉(zhuǎn)矩激勵(lì)，通過(guò)觀察行星傳動(dòng)系統(tǒng)中滾動(dòng)軸承的頻率響應(yīng)來(lái)分析系統(tǒng)的響應(yīng)特性，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，如圖6所示。

圖6 各軸承頻率響應(yīng)Fig.6 Frequency Response of Each Rolling Bearing

根據(jù)圖6（a），在電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩波動(dòng)激勵(lì)下，滾動(dòng)軸承頻率響應(yīng)曲線存在一處幅值較大的波峰，這是因?yàn)殡姍C(jī)MG1輸入端離行星架輸出軸最近，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)行星架輸出軸的影響相對(duì)較小，而電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)行星架輸出軸的影響最小；根據(jù)圖6（b），在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)激勵(lì)下，滾動(dòng)軸承的頻率響應(yīng)曲線存在兩處較大波峰，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輸入端離太陽(yáng)輪輸入軸最近，電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)太陽(yáng)輪輸入軸的影響與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)類(lèi)似，均在太陽(yáng)輪輸入軸頻率為2250Hz和3800Hz附近時(shí)，太陽(yáng)輪輸入軸發(fā)生較大幅度的振動(dòng)，而電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)太陽(yáng)輪輸入軸的影響較小。

6 結(jié)論

這里針對(duì)一款新型的混合動(dòng)力重卡，搭建了其行星傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型，基于該模型分別進(jìn)行了行星傳動(dòng)系統(tǒng)的嘯叫噪聲分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，得出了行星傳動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行下各部件的振動(dòng)噪聲情況，確定了各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，該結(jié)果有利于混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，對(duì)混合動(dòng)力重卡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和傳動(dòng)系統(tǒng)NVH的研究都具有重要意義。