王永超　高輝　劉海

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心；2.河北工業(yè)大學(xué)）

傳動(dòng)系統(tǒng)扭振研究作為提升汽車NVH性能的關(guān)鍵一環(huán)，已日益受到人們的關(guān)注和重視。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車振動(dòng)的問題主要從激勵(lì)源、傳遞路徑及響應(yīng)三方面進(jìn)行分析，一般通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、更改懸置系統(tǒng)參數(shù)及調(diào)整座椅及轉(zhuǎn)向盤觸覺振動(dòng)等方法減少振動(dòng)的影響，但針對(duì)振動(dòng)傳遞過程中傳動(dòng)系統(tǒng)分析優(yōu)化方面的研究較少。文章針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)對(duì)汽車加速工況下傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的影響進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。在保證仿真準(zhǔn)確性的前提下，在仿真過程中屏蔽了汽車其他零部件的影響，使得傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的加速振動(dòng)凸顯出來且便于分析優(yōu)化。

1　問題背景

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要由飛輪、離合器、變速器、差速器及驅(qū)動(dòng)軸組成，各部件之間相互耦合和相互作用是導(dǎo)致整車振動(dòng)的重要因素[1-3]。文獻(xiàn)[4]的研究表明，離合器的扭轉(zhuǎn)剛度及阻尼影響變速器軸系的扭振特性，驅(qū)動(dòng)軸的剛度參數(shù)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩有較大影響，其中離合器扭轉(zhuǎn)剛度和驅(qū)動(dòng)軸阻尼對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)共振頻率影響較大，離合器阻尼和驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)共振幅值影響較大。文獻(xiàn)[5]對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)進(jìn)行了分析仿真，得出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振靈敏度有影響。文獻(xiàn)[6]分析扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的影響。文獻(xiàn)[7]建立傳動(dòng)系統(tǒng)扭振數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而研究各部件扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的影響規(guī)律，提出通過改變驅(qū)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度來避免傳動(dòng)系扭振現(xiàn)象。

因此，傳動(dòng)系統(tǒng)中的離合器剛度、驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度及各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振問題有一定的影響，后續(xù)的工作也主要從這些方面展開分析。某國(guó)產(chǎn)前置前驅(qū)6擋手動(dòng)變速器型乘用車在4擋全油門加速過程中，在1 500～2 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間存在加速振動(dòng)的問題。通過排查已明確傳動(dòng)系統(tǒng)扭振是加速振動(dòng)的主要原因。針對(duì)該車型的傳動(dòng)系統(tǒng)建立多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，采集樣車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模型的校驗(yàn)，然后基于該模型研究傳動(dòng)系統(tǒng)各部件參數(shù)對(duì)汽車加速振動(dòng)的影響，通過優(yōu)化模型從而避免或者減小加速振動(dòng)的問題。

2　傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析模型建立

基于傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方式和各部件的工作特點(diǎn)，采用等效質(zhì)心、多自由度、扭轉(zhuǎn)彈簧及等效阻尼的離散化建模方法建立傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析模型。其中將飛輪與離合器的連接、變速箱中的攪油阻力、輪齒嚙合力以及軸承阻力等簡(jiǎn)化為等效的數(shù)學(xué)公式。根據(jù)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論使用ADAMS軟件，針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)建立離散化的動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1　前置前驅(qū)6擋手動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)模型

所建動(dòng)力學(xué)仿真模型主要考慮傳動(dòng)系統(tǒng)各部件對(duì)加速振動(dòng)的影響，因此將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮其等效質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過導(dǎo)入氣缸壓力隨飛輪轉(zhuǎn)角變化曲線，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)激勵(lì)[8]，如圖2所示。

圖2　加速工況氣缸壓力圖

將離合器、變速器輸入軸、輸出軸及2根驅(qū)動(dòng)軸簡(jiǎn)化為帶阻尼的扭轉(zhuǎn)彈簧，其他部件作為剛體處理。

對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算并提取變速器飛輪端的角加速度曲線，將曲線與實(shí)車采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。從圖3可以看出，模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上具有一致性，但在峰值之后的數(shù)據(jù)有一定誤差。造成這種差異的因素較多，例如，各部件之間摩擦力的影響及各種材料阻尼的影響等。而從研究對(duì)象上考慮，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)車數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致且基本能反映真實(shí)情況，可以用于后續(xù)研究分析。

圖3　變速器飛輪端角加速度曲線對(duì)比

根據(jù)樣車實(shí)際采集的飛輪角加速度曲線，在全油門加速到1 500～2 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，會(huì)出現(xiàn)角加速度曲線的較大峰值，此峰值是傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)的原因之一。但在仿真過程中，由于簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)模型與飛輪之間均采用剛性連接，且飛輪對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的響應(yīng)并不是特別靈敏，而離合器作為發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源的最先傳遞部件，并且能靈敏地反饋傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此在仿真分析中，以離合器部件的角加速度曲線作為評(píng)價(jià)傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3　非工作齒輪組間隙參數(shù)影響規(guī)律分析

前面的文獻(xiàn)中提到，引起傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的主要原因是離合器參數(shù)、變速器及驅(qū)動(dòng)軸剛度之間的匹配問題，但在考慮匹配問題之前，也應(yīng)該考慮本樣車手動(dòng)變速器是否存在齒輪敲擊[9]，如果存在敲擊，就應(yīng)該從齒輪設(shè)計(jì)方面解決。文獻(xiàn)[10]總結(jié)了周期性齒側(cè)間隙波動(dòng)對(duì)敲擊的影響。文獻(xiàn)[11]用Kelving-Voigt模型，對(duì)齒輪間隙和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)變速器敲擊的影響進(jìn)行了分析。因此對(duì)變速器非工作齒輪組齒輪間隙變化進(jìn)行仿真，可以分析齒輪敲擊對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)的貢獻(xiàn)量。利用數(shù)學(xué)模型模擬變速器內(nèi)部齒輪嚙合力。其中變速器齒輪嚙合力公式為[12]：

式中：Kg——嚙合剛度，N·mm/（°）；

E1，E2——齒輪材料的彈性模量，N/mm2；

b——齒寬，mm；

m——齒輪模數(shù)；

Cg——嚙合阻尼，N·mm；

ξ——阻尼比，取值范圍在0.03～0.17；

Rb1，Rb2——齒輪基圓半徑，mm；

I1，I2——齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·mm2；

T——齒輪嚙合轉(zhuǎn)矩，N·m；

η——齒側(cè)間隙靈敏度系數(shù)；

l——齒側(cè)間隙，mm；

α——齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)角，（°）；

t——時(shí)間，s。

在仿真中以離合器角加速度曲線作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，分析齒輪間隙增大和減小20%對(duì)離合器角加速度曲線的影響規(guī)律，并與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4　非工作齒輪間隙對(duì)加速振動(dòng)的影響

從圖4中可以看出，非工作齒輪組輪齒間隙對(duì)于離合器角加速度影響較小，可以說明此變速器的4擋加速過程中變速器的敲擊不是加速振動(dòng)的主要原因。因此需要針對(duì)離合器、驅(qū)動(dòng)軸及齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)問題進(jìn)行深入研究，找出離合器參數(shù)、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩剛度特性及齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)的影響規(guī)律，從而進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到減小振動(dòng)的目的。

4　離合器扭轉(zhuǎn)特征參數(shù)影響規(guī)律分析

現(xiàn)代汽車一般采用多級(jí)剛度離合器，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般主減振剛度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振影響較大。分析離合器主減振剛度減小10%，20%，30%對(duì)離合器角加速度曲線的影響規(guī)律，并與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5　離合器主減振剛度對(duì)加速振動(dòng)的影響

從圖5中可以看出，改變離合器主減振剛度參數(shù)對(duì)離合器角加速度的影響較大，會(huì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的加速振動(dòng)產(chǎn)生較大影響。隨著主減振剛度的減小，離合器角加速度曲線峰值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間減小且峰值的幅值也有較大降低；當(dāng)主減振剛度減小到一定程度時(shí)，曲線則出現(xiàn)升高趨勢(shì)，說明離合器主減振剛度參數(shù)若匹配不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致離合器端的輸入激勵(lì)被放大與傳動(dòng)系統(tǒng)的整體出現(xiàn)振動(dòng)。從圖5還可以看出，原始狀態(tài)的離合器主減振剛度參數(shù)的確匹配不當(dāng)，減小主減振剛度20%，可有效降低離合器的角加速度幅值，減小汽車的加速振動(dòng)。

5　驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)影響規(guī)律分析

針對(duì)驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行分析，對(duì)其增大20%和減小20%，并與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

從圖6可知：減小驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度會(huì)導(dǎo)致曲線幅值增大，且峰值對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間前移；增大驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度可以有效減小離合器角加速度幅值，但扭轉(zhuǎn)剛度增大一定程度之后，曲線變化不再明顯。因此，適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)于改善加速振動(dòng)問題有顯著的作用，此樣車驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度增大20%較為合適。

6　齒輪箱工作齒輪參數(shù)影響規(guī)律分析

分析4擋工作齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大和減小20%對(duì)離合器角加速度曲線的影響規(guī)律，并與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7　4擋工作齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)加速振動(dòng)的影響

根據(jù)圖7可知，增大和減小一定比例的4擋工作齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)離合器角加速度影響較小，且考慮到實(shí)際工作中改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將會(huì)導(dǎo)致齒輪設(shè)計(jì)成本上升，因此不通過改變齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式來減小傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)。

7　基于靈敏度的傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析及優(yōu)化

根據(jù)之前的仿真結(jié)果與實(shí)際工作難度分析，改變離合器主減振剛度與驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)簡(jiǎn)單，而改變齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)困難，并且由仿真數(shù)據(jù)可知，改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小對(duì)加速振動(dòng)不靈敏。因此，將離合器主減振剛度減小20%，驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度增大20%，4擋工作齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變，與原狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，離合器角加速度幅值整體變??；1 500～2 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間的角加速度峰值大幅減小。經(jīng)仿真分析，經(jīng)過優(yōu)化可以有效減小4擋加速振動(dòng)的問題，具體結(jié)果需要在實(shí)車中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[13]。

圖8　優(yōu)化前后離合器角加速度對(duì)比

8　結(jié)論

文章基于多體動(dòng)力學(xué)方法建立了某乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析模型，開展了離合器主減振剛度、驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度及工作齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)的影響規(guī)律的研究。以離合器角加速度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)非工作齒輪間隙、離合器主減振剛度、驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度及工作齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行了靈敏度分析，得出：

1）非工作齒輪間隙變化的敲擊會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)。通過對(duì)該參數(shù)與離合器角加速度的分析，確認(rèn)非工作齒輪間隙變化不是傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)的主要原因。

2）離合器主減振剛度和驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)離合器角加速度的影響較大，會(huì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的加速振動(dòng)產(chǎn)生較大影響，離合器與驅(qū)動(dòng)軸與傳動(dòng)系統(tǒng)部件的良好匹配可以顯著減小傳動(dòng)系統(tǒng)加速振動(dòng)。

3）通過扭振分析模型計(jì)算可知，傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)中離合器主減振剛度和驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)化對(duì)減小傳動(dòng)系統(tǒng)扭振乃至改善整車NVH體驗(yàn)有較大作用。