張征

（裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京100072）

基于MATLAB的混合電動車驅(qū)動系統(tǒng)扭振分析

張征

（裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京100072）

混合電動車（HEV）是傳統(tǒng)汽車與電動車相結(jié)合的產(chǎn)物，汽車工業(yè)發(fā)展的新趨勢新方向。介紹了HEV的基本特點和驅(qū)動類型，根據(jù)HEV動力系統(tǒng)的基本框架，采用離散質(zhì)量法和模態(tài)綜合法對HEV動力傳動系進行了扭振分析，采用MATLAB軟件將各個零部件模塊化，計算出柴油機子系統(tǒng)的各階次的固有頻率和振型。

MATLAB；混合電動車；傳動系；扭振

HEV是同時采用了燃油發(fā)動機和電動機作為其動力裝置的一種汽車。HEV本身也是一個由多個具有固有振動特性子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜振動系統(tǒng)，其中作為子系統(tǒng)之一的動力傳動系是HEV噪聲和振動的重要激勵源。HEV的動力傳動系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，是由發(fā)動機到驅(qū)動輪之間的各個部件（單元）所組成的。目前，隨著汽車工業(yè)逐漸向大功率、高轉(zhuǎn)速方向的發(fā)展，動力傳動系統(tǒng)的扭振問題逐漸突出。因此，本文應(yīng)用高級編程語言MATLAB的程序設(shè)計進行計算。利用MATLAB把各零部件模塊化，對混合電動車動力傳動系的扭振進行研究，為混合動力車的技術(shù)進步打下基礎(chǔ)。

1　HEV的動力系統(tǒng)

HEV的動力系統(tǒng)與普通電動車及發(fā)動機車輛相比要相對復(fù)雜，一般采用兩套驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)HEV驅(qū)動系統(tǒng)的配置組合方式，可將HEV道路系統(tǒng)分為串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)及混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)3類［1］。本文主要根據(jù)串聯(lián)式混合驅(qū)動系統(tǒng)建立振動模型。

串聯(lián)式混合動力汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機三大總成組成。這種驅(qū)動方式采用電動機直接驅(qū)動車輪的驅(qū)動方式，兩種動力裝置呈現(xiàn)直列式排列，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電能直接輸送到電動機用于驅(qū)動汽車，或者輸送到電池作為發(fā)動機輸出和電動機需求的調(diào)節(jié)裝置。

2　HEV中柴油機的扭振模型

現(xiàn)以柴油機為例進行振動分析。柴油機的振動形式包括整機的振動、曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動以及配氣機構(gòu)的振動等。汽車行駛過程中，車輛動力傳動系的質(zhì)量和彈性分布不均勻，在不平道路上柴油機氣缸的燃?xì)鈮毫瓦\動件會產(chǎn)生周期性變化的慣性力，使得柴油機整體和曲軸系統(tǒng)產(chǎn)生振動。其中曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動十分重要，與整車傳動系統(tǒng)振動有關(guān)［2］。

文章采用離散質(zhì)量法柴油機曲軸系統(tǒng)進行離散處理，得到柴油機曲軸的離散質(zhì)量模型如圖1所示。圖1中n為質(zhì)量點個數(shù)，I1～n分別表示對應(yīng)各質(zhì)量點的轉(zhuǎn)動慣量，K1～（n-1）分別表示各彈性軸段的剛度［3］。

圖1　柴油機曲軸當(dāng)量系統(tǒng)

根據(jù)力學(xué)模型和達(dá)朗貝爾原理，利用拉格朗日方程建立系統(tǒng)n個集中質(zhì)量的無阻尼扭振方程方程：

式（1）中，I為轉(zhuǎn)動慣量矩陣，θ為角位移列矢量，K為剛度矩陣。

其矩陣形式為：

式（3）中θ1～n表示各質(zhì)量振動角位移。

3　MATLAB分析的實現(xiàn)

將式（5）代入式（1）得：

設(shè)系統(tǒng)矩陣S=I-1K，且令λ=p2，則式（6）可化為：

其中，E為單位矩陣。

因此，自由扭振計算便歸結(jié)為求解特征值、特征向量的問題。求得λ=ω2，對特征值開方后，即為系統(tǒng)軸系的固有頻率，A為振幅。據(jù)此，可求出傳動系的臨界轉(zhuǎn)速。利用MATLAB編制的M文件進行計算。

由上述公式編程后，在如圖2所示的柴油機扭振分析人機界面中輸入6缸4沖程柴油機的參數(shù)后，程序可自動輸出固有頻率和主振型的結(jié)果，如圖3所示。

MATLAB的圖形界面（GUI）功能，具有強大的數(shù)值計算能力，能夠增加計算分析的交互性。本文設(shè)計了柴油機扭振分析的人機界面（如圖2所示）。用戶可在人機界面中直接輸入發(fā)動機、齒輪、電機參數(shù)，然后根據(jù)需要選擇輸出結(jié)果［3］。

圖2　柴油機扭振分析的人機界面

4　計算過程及結(jié)果

以某6缸4沖程柴油機為例，由以上動力學(xué)模型和MATLAB程序進行計算，得到固有頻率和主振型。

設(shè)式（1）的解為：

假設(shè)柴油機系統(tǒng)各集中質(zhì)量均以同一頻率p同一初相位φ作簡諧振動，則：

圖3　固有頻率和主振型的計算結(jié)果

5　結(jié)束語

文章根據(jù)HEV驅(qū)動系統(tǒng)模型，采用離散質(zhì)量法和模態(tài)綜合法對混合電動車的動力傳動系進行了扭振分析，采用MATLAB軟件方便且精確的計算柴油機子系統(tǒng)的各階次的固有頻率和振型，實現(xiàn)了用戶和計算機之間方便的信息交流。

［1］杜雪飛，孫躍.混合電動車及其電氣驅(qū)動系統(tǒng)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2002，25（9）:59-62.

［2］梁價，霍拳忠.內(nèi)燃機的振動問題［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1989.

［3］鐘麟，王峰.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用教程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

Analysis on the Twisting Vibration of HEV Drive System based on MATLAB

ZHANG Zheng
（Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

HEV is a combination of HV and traditional vehicles which tend to be a new areas of vehicle industry. This paper gives a brief introduction of HEV and discusses the system of HEV based on two methods to analyze the twisting vibration of HEV drive system and uses MATLAB to achieve component modularization and to calculate the inherent frequency and main vibrate form of HEV subsystems.

MATLAB；HEV；drive system；twisting vibration

U463.213

A

1672-545X（2016）07-0076-03

2016-04-21

張征（1993-），女，河北承德人，碩士研究生（在讀），研究方向：車輛工程。