王永超　高輝　劉海

（1.中國汽車技術研究中心；2.河北工業(yè)大學）

傳動系統(tǒng)扭振研究作為提升汽車NVH性能的關鍵一環(huán)，已日益受到人們的關注和重視。目前國內(nèi)外對汽車振動的問題主要從激勵源、傳遞路徑及響應三方面進行分析，一般通過減小發(fā)動機轉矩波動、更改懸置系統(tǒng)參數(shù)及調(diào)整座椅及轉向盤觸覺振動等方法減少振動的影響，但針對振動傳遞過程中傳動系統(tǒng)分析優(yōu)化方面的研究較少。文章針對傳動系統(tǒng)部件參數(shù)對汽車加速工況下傳動系統(tǒng)扭振的影響進行了仿真和優(yōu)化。在保證仿真準確性的前提下，在仿真過程中屏蔽了汽車其他零部件的影響，使得傳動系統(tǒng)各部件的加速振動凸顯出來且便于分析優(yōu)化。

1　問題背景

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

因此，傳動系統(tǒng)中的離合器剛度、驅動軸扭轉剛度及各部件的轉動慣量對傳動系統(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。某國產(chǎn)前置前驅6擋手動變速器型乘用車在4擋全油門加速過程中，在1 500～2 000 r/min轉速區(qū)間存在加速振動的問題。通過排查已明確傳動系統(tǒng)扭振是加速振動的主要原因。針對該車型的傳動系統(tǒng)建立多體動力學仿真模型，采集樣車試驗數(shù)據(jù)進行仿真模型的校驗，然后基于該模型研究傳動系統(tǒng)各部件參數(shù)對汽車加速振動的影響，通過優(yōu)化模型從而避免或者減小加速振動的問題。

2　傳動系統(tǒng)扭振分析模型建立

基于傳動系統(tǒng)的布置方式和各部件的工作特點，采用等效質心、多自由度、扭轉彈簧及等效阻尼的離散化建模方法建立傳動系統(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化為等效的數(shù)學公式。根據(jù)多體系統(tǒng)動力學理論使用ADAMS軟件，針對傳動系統(tǒng)建立離散化的動力學模型，如圖1所示。

圖1　前置前驅6擋手動變速器傳動系統(tǒng)模型

所建動力學仿真模型主要考慮傳動系統(tǒng)各部件對加速振動的影響，因此將發(fā)動機進行簡化，只考慮其等效質量和轉動慣量，通過導入氣缸壓力隨飛輪轉角變化曲線，模擬發(fā)動機真實激勵[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根驅動軸簡化為帶阻尼的扭轉彈簧，其他部件作為剛體處理。

對模型進行仿真計算并提取變速器飛輪端的角加速度曲線，將曲線與實車采集的試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。從圖3可以看出，模型仿真結果與試驗測試數(shù)據(jù)在趨勢上具有一致性，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。而從研究對象上考慮，仿真數(shù)據(jù)與實車數(shù)據(jù)趨勢一致且基本能反映真實情況，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比

根據(jù)樣車實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轉速區(qū)間時，會出現(xiàn)角加速度曲線的較大峰值，此峰值是傳動系統(tǒng)加速振動的原因之一。但在仿真過程中，由于簡化的發(fā)動機模型與飛輪之間均采用剛性連接，且飛輪對于傳動系統(tǒng)振動的響應并不是特別靈敏，而離合器作為發(fā)動機激勵源的最先傳遞部件，并且能靈敏地反饋傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應，因此在仿真分析中，以離合器部件的角加速度曲線作為評價傳動系統(tǒng)加速振動的標準。

3　非工作齒輪組間隙參數(shù)影響規(guī)律分析

前面的文獻中提到，引起傳動系統(tǒng)振動的主要原因是離合器參數(shù)、變速器及驅動軸剛度之間的匹配問題，但在考慮匹配問題之前，也應該考慮本樣車手動變速器是否存在齒輪敲擊[9]，如果存在敲擊，就應該從齒輪設計方面解決。文獻[10]總結了周期性齒側間隙波動對敲擊的影響。文獻[11]用Kelving-Voigt模型，對齒輪間隙和轉動慣量對變速器敲擊的影響進行了分析。因此對變速器非工作齒輪組齒輪間隙變化進行仿真，可以分析齒輪敲擊對傳動系統(tǒng)加速振動的貢獻量。利用數(shù)學模型模擬變速器內(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——齒輪轉動慣量，kg·mm2；

T——齒輪嚙合轉矩，N·m；

η——齒側間隙靈敏度系數(shù)；

l——齒側間隙，mm；

α——齒輪相對轉角，（°）；

t——時間，s。

在仿真中以離合器角加速度曲線作為評價目標，分析齒輪間隙增大和減小20%對離合器角加速度曲線的影響規(guī)律，并與初始狀態(tài)進行對比，如圖4所示。

圖4　非工作齒輪間隙對加速振動的影響

從圖4中可以看出，非工作齒輪組輪齒間隙對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的主要原因。因此需要針對離合器、驅動軸及齒輪轉動慣量的參數(shù)問題進行深入研究，找出離合器參數(shù)、驅動軸轉矩剛度特性及齒輪轉動慣量參數(shù)對于傳動系統(tǒng)加速振動的影響規(guī)律，從而進行優(yōu)化以達到減小振動的目的。

4　離合器扭轉特征參數(shù)影響規(guī)律分析

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

圖5　離合器主減振剛度對加速振動的影響

從圖5中可以看出，改變離合器主減振剛度參數(shù)對離合器角加速度的影響較大，會對傳動系統(tǒng)的加速振動產(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應的轉速區(qū)間減小且峰值的幅值也有較大降低；當主減振剛度減小到一定程度時，曲線則出現(xiàn)升高趨勢，說明離合器主減振剛度參數(shù)若匹配不當，則會導致離合器端的輸入激勵被放大與傳動系統(tǒng)的整體出現(xiàn)振動。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，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。

5　驅動軸扭轉剛度參數(shù)影響規(guī)律分析

針對驅動軸扭轉剛度進行分析，對其增大20%和減小20%，并與初始狀態(tài)進行對比，如圖6所示。

從圖6可知：減小驅動軸扭轉剛度會導致曲線幅值增大，且峰值對應轉速區(qū)間前移；增大驅動軸扭轉剛度可以有效減小離合器角加速度幅值，但扭轉剛度增大一定程度之后，曲線變化不再明顯。因此，適當增大驅動軸的扭轉剛度對于改善加速振動問題有顯著的作用，此樣車驅動軸扭轉剛度增大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擋工作齒輪組轉動慣量增大和減小20%對離合器角加速度曲線的影響規(guī)律，并與初始狀態(tài)進行對比，如圖7所示。

圖7　4擋工作齒輪組轉動慣量對加速振動的影響

根據(jù)圖7可知，增大和減小一定比例的4擋工作齒輪組轉動慣量對離合器角加速度影響較小，且考慮到實際工作中改變轉動慣量將會導致齒輪設計成本上升，因此不通過改變齒輪轉動慣量的方式來減小傳動系統(tǒng)的振動。

7　基于靈敏度的傳動系統(tǒng)扭振分析及優(yōu)化

根據(jù)之前的仿真結果與實際工作難度分析，改變離合器主減振剛度與驅動軸扭轉剛度相對簡單，而改變齒輪轉動慣量相對困難，并且由仿真數(shù)據(jù)可知，改變轉動慣量大小對加速振動不靈敏。因此，將離合器主減振剛度減小20%，驅動軸扭轉剛度增大20%，4擋工作齒輪組轉動慣量保持不變，與原狀態(tài)進行對比，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?。? 500～2 000 r/min轉速區(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擋加速振動的問題，具體結果需要在實車中進行試驗驗證[13]。

圖8　優(yōu)化前后離合器角加速度對比

8　結論

文章基于多體動力學方法建立了某乘用車傳動系統(tǒng)扭振分析模型，開展了離合器主減振剛度、驅動軸扭轉剛度及工作齒輪組轉動慣量對傳動系統(tǒng)加速振動的影響規(guī)律的研究。以離合器角加速度作為評價標準，對非工作齒輪間隙、離合器主減振剛度、驅動軸扭轉剛度及工作齒輪組轉動慣量進行了靈敏度分析，得出：

1）非工作齒輪間隙變化的敲擊會導致傳動系統(tǒng)加速振動。通過對該參數(shù)與離合器角加速度的分析，確認非工作齒輪間隙變化不是傳動系統(tǒng)加速振動的主要原因。

2）離合器主減振剛度和驅動軸扭轉剛度對離合器角加速度的影響較大，會對傳動系統(tǒng)的加速振動產(chǎn)生較大影響，離合器與驅動軸與傳動系統(tǒng)部件的良好匹配可以顯著減小傳動系統(tǒng)加速振動。

3）通過扭振分析模型計算可知，傳動系統(tǒng)參數(shù)中離合器主減振剛度和驅動軸扭轉剛度的優(yōu)化對減小傳動系統(tǒng)扭振乃至改善整車NVH體驗有較大作用。