基于目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的雙模式多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受迫振動(dòng)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(dòng)力汽車雙模式多級(jí)齒輪動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的原因及其影響因素，基于SIMPACK建立了整車動(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)動(dòng)力學(xué)模型施加激勵(lì)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(jí)齒輪傳動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(duì)多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分階次的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)有較好的衰減作用。

關(guān)鍵詞：雙模式 齒輪 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 扭振特性

1引言

由于世界石油存儲(chǔ)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(dòng)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(duì)乘客的乘坐舒適性影響很大，因此，越來(lái)越受到廠商和研究機(jī)構(gòu)的重視。混合動(dòng)力汽車的噪聲來(lái)源有很多，其中多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的異常扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是一個(gè)重要的噪聲源。由于混合動(dòng)力汽車采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的雙模式驅(qū)動(dòng)方式，其齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭振特征較普通汽車更為復(fù)雜。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)端和驅(qū)動(dòng)電機(jī)端存在輸入轉(zhuǎn)矩的激勵(lì)時(shí)，多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生異常受迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題。當(dāng)外源性激勵(lì)的干擾頻率與系統(tǒng)的任何一個(gè)固有頻率相等時(shí)，傳遞功率流的傳動(dòng)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(dòng)系的部件，并導(dǎo)致扭振和不舒適感。因此，對(duì)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(duì)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)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(shí)別出了變速器齒輪產(chǎn)生的嚙合噪聲是電驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)作為動(dòng)力總成的激勵(lì)源進(jìn)行了驗(yàn)證，證明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)是動(dòng)力總成扭振的主要激勵(lì)源之一；Yue等對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并研究了該系統(tǒng)的振動(dòng)特征。根據(jù)以上研究可知，發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)是傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的重要激勵(lì)源。為了減少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)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(dòng)力輸入端存在激勵(lì)時(shí)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要總成之一。Paul D等對(duì)于汽車傳動(dòng)系的主動(dòng)阻尼對(duì)換擋產(chǎn)生的瞬時(shí)振動(dòng)進(jìn)行了研究，提出了一種主動(dòng)控制策略，并對(duì)其在傳統(tǒng)汽車和混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比。林新海等通過模態(tài)試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了影響齒輪箱振動(dòng)的主要因素。Tang等對(duì)混合動(dòng)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(lái)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(duì)于較為復(fù)雜的傳動(dòng)來(lái)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(duì)模型的修正也較為困難，一旦模型建立錯(cuò)誤，修改起來(lái)比較麻煩。而采用Adams等多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)扭振的傳遞特性。但這種方法卻難以對(duì)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(dòng)力學(xué)分析時(shí)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(dòng)慣量、等價(jià)阻尼和等價(jià)剛度，對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)分析取得了一定的效果。Yu等也采用這種方法對(duì)混合動(dòng)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(dòng)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(jià)阻尼和等價(jià)剛度近似地代替齒輪嚙合，而無(wú)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(wú)法模擬單對(duì)輪齒的綜合彈性變形、齒輪重合度、齒輪嚙合時(shí)的阻尼變化以及齒輪嚙合時(shí)的綜合剛度變化的時(shí)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(dòng)系統(tǒng)模型，并分析其振動(dòng)特性，對(duì)于混合動(dòng)力多級(jí)齒輪傳動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的多體動(dòng)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(duì)混合動(dòng)力傳動(dòng)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(duì)扭振的影響。

2扭振仿真系統(tǒng)建立

SIMPACK中動(dòng)力學(xué)模型的建立是基于樣車傳動(dòng)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(duì)圖1所示的混合動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)建模。

建模時(shí)應(yīng)遵循以下簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)機(jī)和行星架連接，可簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)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(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)力學(xué)模型如圖所示。其中，除MEEBS動(dòng)力合成器外還包括阻尼減振器、左、右驅(qū)動(dòng)半軸和左右一對(duì)車輪。該模型中，阻尼減振器簡(jiǎn)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。