基于目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的雙模式多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)受迫振動特性分析

黃孝慈

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海）

摘要：為了分析混合動力汽車雙模式多級齒輪動力傳動機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的原因及其影響因素，基于SIMPACK建立了整車動力學(xué)模型。通過對動力學(xué)模型施加激勵和設(shè)置輸出通道，構(gòu)建了扭振仿真系統(tǒng)。應(yīng)用扭振仿真系統(tǒng)分析了多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)的振型，并與理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。扭振仿真系統(tǒng)振型分析的結(jié)果與理論計(jì)算的傳動系統(tǒng)固有頻率以及噪聲實(shí)驗(yàn)獲得的主噪聲頻率一致，證明了構(gòu)建系統(tǒng)的正確性。在此基礎(chǔ)上，分析了阻尼減振器的阻尼、剛度的變化等目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)對多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動的影響。結(jié)果表明，將扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)調(diào)整在適當(dāng)范圍內(nèi)，對多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)部分階次的扭轉(zhuǎn)振動有較好的衰減作用。

關(guān)鍵詞：雙模式 齒輪 傳動機(jī)構(gòu) 扭振特性

1引言

由于世界石油存儲量的不斷下降，開發(fā)新能源汽車是如今的發(fā)展方向。混合動力汽車是現(xiàn)行汽車的一種可靠替代形式，由于其NVH（Noise，Vibration and Harshness）問題對乘客的乘坐舒適性影響很大，因此，越來越受到廠商和研究機(jī)構(gòu)的重視。混合動力汽車的噪聲來源有很多，其中多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)的異常扭轉(zhuǎn)振動是一個重要的噪聲源。由于混合動力汽車采用純電動驅(qū)動和混合動力驅(qū)動的雙模式驅(qū)動方式，其齒輪傳動機(jī)構(gòu)的扭振特征較普通汽車更為復(fù)雜。當(dāng)發(fā)動機(jī)端和驅(qū)動電機(jī)端存在輸入轉(zhuǎn)矩的激勵時，多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)會發(fā)生異常受迫扭轉(zhuǎn)振動問題。當(dāng)外源性激勵的干擾頻率與系統(tǒng)的任何一個固有頻率相等時，傳遞功率流的傳動系將出現(xiàn)強(qiáng)烈的受迫扭轉(zhuǎn)共振，相應(yīng)部件所受的載荷將顯著增加，嚴(yán)重?fù)p害傳動系的部件，并導(dǎo)致扭振和不舒適感。因此，對于扭振的影響因素和消除方法研究是非常重要的。一些研究對車輛動力系統(tǒng)的振動問題進(jìn)行了分析。楊遠(yuǎn)等運(yùn)用單體聲功率及頻譜分析的方法識別出了變速器齒輪產(chǎn)生的嚙合噪聲是電驅(qū)動動力總成系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的主要原因；Chang等采用實(shí)驗(yàn)的方法對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩波動作為動力總成的激勵源進(jìn)行了驗(yàn)證，證明發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生的激勵是動力總成扭振的主要激勵源之一；Yue等對混合動力系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并研究了該系統(tǒng)的振動特征。根據(jù)以上研究可知，發(fā)動機(jī)或電機(jī)是傳動系統(tǒng)扭振的重要激勵源。為了減少傳動機(jī)構(gòu)的振動和噪聲，需要采取相關(guān)的措施，采用阻尼減振器是一種衰減扭振的有效措施。當(dāng)汽車動力輸入端存在激勵時，齒輪傳動機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生振動和噪聲的主要總成之一。Paul D等對于汽車傳動系的主動阻尼對換擋產(chǎn)生的瞬時振動進(jìn)行了研究，提出了一種主動控制策略，并對其在傳統(tǒng)汽車和混合動力汽車上的應(yīng)用效果進(jìn)行了對比。林新海等通過模態(tài)試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了影響齒輪箱振動的主要因素。Tang等對混合動力汽車行星齒輪結(jié)構(gòu)的噪聲源進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這些方法的共同點(diǎn)是基于理論計(jì)算的方法來分析齒輪扭振特性。理論計(jì)算方法需要建立精確的齒輪數(shù)學(xué)模型，計(jì)算的結(jié)果較為精確，但對于較為復(fù)雜的傳動來講，系統(tǒng)存在較多的自由度，建立完善的模型過程較為繁瑣，對模型的修正也較為困難，一旦模型建立錯誤，修改起來比較麻煩。而采用Adams等多體動力學(xué)軟件進(jìn)行動力學(xué)模型構(gòu)建和分析的方法，則較為方便直觀，并能夠模擬傳動機(jī)構(gòu)扭振的傳遞特性。但這種方法卻難以對齒輪副模型嚙合參數(shù)進(jìn)行精確描述，所以，在進(jìn)行齒輪動力學(xué)分析時效果較差。一些研究者提出了替代方法，洪清泉等提出了一種在Adams中建立虛擬齒輪副模型的方法，該方法考慮了齒輪的轉(zhuǎn)動慣量、等價阻尼和等價剛度，對齒輪動力學(xué)分析取得了一定的效果。Yu等也采用這種方法對混合動力汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)的扭振特性進(jìn)行了分析，為混合動力汽車的降噪研究提供了參考，但該方法只是以扭簧的等價阻尼和等價剛度近似地代替齒輪嚙合，而無法建立齒輪修形系數(shù)、泊松比、彈性模量、齒面摩擦因數(shù)等物理與材料特性參數(shù)，尤其是無法模擬單對輪齒的綜合彈性變形、齒輪重合度、齒輪嚙合時的阻尼變化以及齒輪嚙合時的綜合剛度變化的時變參數(shù)。這使得利用虛擬齒輪副模型的方法進(jìn)行的齒輪扭振特性分析與實(shí)際情況存在著一定誤差。通過適合的方法構(gòu)建精確的混合傳動系統(tǒng)模型，并分析其振動特性，對于混合動力多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)的目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化是非常有幫助的。本文中構(gòu)建了基于SIMPACK的混合動力傳動系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型，在SIMPACK中建立精確的齒輪模型，并應(yīng)用齒輪嚙合力元建立齒輪連接。根據(jù)所建模型建立扭振仿真系統(tǒng)，并對混合動力傳動系統(tǒng)的扭振特性進(jìn)行研究，分析各部件扭振特征頻率和關(guān)鍵參數(shù)對扭振的影響。

2扭振仿真系統(tǒng)建立

SIMPACK中動力學(xué)模型的建立是基于樣車傳動系統(tǒng)質(zhì)量和元件分布的特點(diǎn)，采用多自由度集中質(zhì)量的離散化建模方法，對圖1所示的混合動力傳動系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動建模。

建模時應(yīng)遵循以下簡化原則：（1） 相鄰兩集中質(zhì)量間連接軸的剛度，視為集中質(zhì)量間的剛度，即將軸的轉(zhuǎn)動慣量平均分配到相鄰的集中質(zhì)量上。（2） 阻尼減振器前后分別與發(fā)動機(jī)和行星架連接，可簡化為有阻尼的扭轉(zhuǎn)彈簧。要進(jìn)行行星輪系的扭振分析，建立各嚙合齒輪副的動力學(xué)模型是關(guān)鍵。在SIMPACK中，可以建立精確的齒輪模型。建立齒輪副模型時需要輸入的參數(shù)有：齒輪嚙合形式（外、內(nèi)、齒條）、齒數(shù)、模數(shù)、法向壓力角、齒頂高和齒根高、螺旋角、錐角、齒隙、齒寬、嚙合的初始轉(zhuǎn)角。齒輪嚙合采用專門的齒輪力元。齒輪力元中考慮了齒輪的嚙合剛度、阻尼、齒輪修形系數(shù)、泊松比、彈性模量、齒面摩擦因數(shù)等物理與材料特性。建好的整車傳動系扭轉(zhuǎn)振動力學(xué)模型如圖所示。其中，除MEEBS動力合成器外還包括阻尼減振器、左、右驅(qū)動半軸和左右一對車輪。該模型中，阻尼減振器簡化成扭轉(zhuǎn)彈簧，齒輪采用SIMPACK提供的齒輪模型，而其他部件視為剛性元件。