金鑫君

摘 要：為減小多動(dòng)力源耦合傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的扭轉(zhuǎn)共振危害，保障車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，提高復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的可靠性，本文以系統(tǒng)復(fù)雜、耦合程度高的混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，提出了一種多動(dòng)力源耦合傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振控制方法。其間通過(guò)比較傳動(dòng)系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的扭振是否落入各零部件固有振動(dòng)頻率范圍來(lái)控制動(dòng)力源轉(zhuǎn)速和動(dòng)力源狀態(tài)，從而建立扭轉(zhuǎn)共振回避控制方法。結(jié)果表明，在傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振控制方法的基礎(chǔ)上，利用采集的振動(dòng)信號(hào)與零部件中的固有頻率進(jìn)行比較計(jì)算，比較有效地減少共振發(fā)生的次數(shù)。

關(guān)鍵詞：扭振;油電混合動(dòng)力;扭轉(zhuǎn)共振;控制

中圖分類號(hào)：U463.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0039-04

Abstract： In order to reduce the torsional resonance hazard in the multi-power source coupling transmission system， ensure the safe and reliable operation of the vehicle power transmission system， and improve the reliability of the complex electromechanical system， this paper took the hybrid electric vehicle with complex system and high coupling as the research object， and proposed a torsional resonance control method for a multi-power source coupling transmission system. In the meantime， by comparing whether the torsional vibration of the transmission system under different working conditions falls into the natural vibration frequency range of each component， the speed of the power source and the state of the power source were controlled， thereby establishing a torsional resonance avoidance control method. The results show that， based on the torsional resonance control method of the transmission system， using the collected vibration signal to compare and calculate with the natural frequency of the parts can effectively reduce the number of resonance occurrences.

Keywords： torsional vibration;hybrid electric vehicle; torsional resonance;control

混合動(dòng)力汽車搭載至少兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)論在動(dòng)力性能上還是續(xù)航里程上，都明顯優(yōu)于單一動(dòng)力源的純電動(dòng)汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車。混合動(dòng)力汽車常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)類型為油電混合動(dòng)力，包括電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩個(gè)不同性質(zhì)的動(dòng)力源針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則通過(guò)機(jī)電耦合實(shí)現(xiàn)高度集成?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為車輛傳遞動(dòng)力扭矩的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其傳遞路徑、耦合程度以及響應(yīng)速度等影響著車輛的舒適性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合通常采用行星機(jī)構(gòu)動(dòng)力耦合，豐田THS系統(tǒng)采用兩個(gè)電機(jī)（MG1、MG2）、一個(gè)行星齒輪、一個(gè)離合器對(duì)不同動(dòng)力源的動(dòng)力扭矩進(jìn)行耦合。黃海瑞分析了客車行星混聯(lián)式多動(dòng)力源耦合系統(tǒng)中存在的行星齒輪機(jī)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與電機(jī)快速響應(yīng)特性均可能惡化傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振狀況[1];于?？笛芯磕砅2構(gòu)型并帶有CVT變速器的混合動(dòng)力SUV的CVT變速器動(dòng)力學(xué)特性[2];鐘必清等人針對(duì)某混聯(lián)式客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，在典型工況下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，使用動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)矩修正的方法仿真和分析混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的力學(xué)性能[3]。孟德建等人針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和行星齒輪系等子系統(tǒng)組成的混聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，建立了混合動(dòng)力驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型，研究在純電動(dòng)、混合動(dòng)力和停車充電工作模式下系統(tǒng)的固有特性和瞬態(tài)響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整車加速度瞬態(tài)響應(yīng)與激勵(lì)源干擾力矩的頻率成分相同，在啟動(dòng)電機(jī)工作階段和停機(jī)階段低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的整車縱向振動(dòng)較大，模式切換造成激勵(lì)源轉(zhuǎn)矩突變，行星齒輪系統(tǒng)的角加速度波動(dòng)幅值明顯增大[4]。韓清振在并聯(lián)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)拉格朗日方法建立了對(duì)應(yīng)的當(dāng)量化模型，嘗試在并聯(lián)模式下探究傳動(dòng)系統(tǒng)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性[5]。有研究針對(duì)小型2缸內(nèi)燃機(jī)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，提出了一種模型預(yù)測(cè)控制器（Model Predictive Controller，MPC）對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)減振[6-8]。還有研究分析了傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)程中共振固有頻率的特性[9-10]。其目的是減小多動(dòng)力源耦合傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的扭轉(zhuǎn)共振，保障車輛傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。由于混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)集成了變速器、行星齒輪機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等復(fù)雜機(jī)構(gòu)，工作狀態(tài)更為復(fù)雜，振動(dòng)和噪聲問(wèn)題更為突出，因此，研究多動(dòng)力源耦合傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振控制方法具有重要的意義。

本文以某混合動(dòng)力汽車多動(dòng)力源耦合傳動(dòng)系統(tǒng)（豐田THS系統(tǒng)，采用兩個(gè)電機(jī)，即MG1、MG2）作為研究對(duì)象，在不同工況（低速啟動(dòng)、勻速行駛、急加速和減速制動(dòng)）下，建立傳動(dòng)系統(tǒng)中組件的共振固有頻率模型和動(dòng)力學(xué)模型架構(gòu)，提出針對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的共振控制方法。

1 混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源包括內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從內(nèi)燃機(jī)輸出的扭矩經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)減振器，再進(jìn)入行星組件，發(fā)電機(jī)MG1與行星組件中太陽(yáng)輪相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2與固定速比的變速器輸入軸連接。行星組件作為動(dòng)力耦合裝置，各傳動(dòng)路徑上的扭矩進(jìn)行耦合，其中，發(fā)電機(jī)MG1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2都可對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)車輛或帶動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)發(fā)電機(jī)MG1進(jìn)行發(fā)電能夠啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。根據(jù)混合動(dòng)力車輛部件連接關(guān)系，建立混聯(lián)式混合動(dòng)力扭矩傳遞構(gòu)型，如圖1所示。

整車動(dòng)力部件參數(shù)均進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2與動(dòng)力電池的逆變器連接，車輛純電動(dòng)模式工況進(jìn)行工作時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2帶動(dòng)固定速比變速箱，在驅(qū)動(dòng)行星組件中，由行星架直接輸出動(dòng)力至車輛驅(qū)動(dòng)半軸。

綜合考慮傳動(dòng)部件的質(zhì)量、布置形式等，根據(jù)集中質(zhì)量法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，假設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均為剛性圓盤，各剛性圓盤之間由無(wú)質(zhì)量扭簧阻尼器連接，剛度和阻尼均設(shè)置為扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼。

以系統(tǒng)能量保持不變?yōu)樵瓌t，將傳動(dòng)部件簡(jiǎn)化為多自由度集中質(zhì)量模型，建立相應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：

式中，[I]、[C]、[K]分別為傳動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣、阻尼系數(shù)矩陣、剛度系數(shù)矩陣;[θ¨]、[θ]、[θ]分別為傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)角加速度向量、扭轉(zhuǎn)角速度向量、扭轉(zhuǎn)角位移向量;[M]為激勵(lì)力矩向量。

建立傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程，忽略激勵(lì)力矩矩陣向量與阻尼系數(shù)，即自由振動(dòng)方程為：

假設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)自由振動(dòng)第[i]階固有頻率為[ωi]，其模態(tài)振型為[φi]，那么扭振的角位移為：

經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算，系數(shù)矩陣行列式為0，即

計(jì)算行列式，即可求解。

2 行星耦合器的動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2-變速器-行星組件、內(nèi)燃機(jī)-發(fā)電機(jī)MG1-行星組件不同傳動(dòng)路徑上的連接關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立整車傳動(dòng)系統(tǒng)各組件的無(wú)阻尼自由振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，再建立整車傳動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)矩陣。

由于動(dòng)力耦合在行星組件，建立行星組件的拉格朗日算子，即

式中，[L]為拉格朗日算子;[I'c]為等效行星架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;[Ia]、[Is]、[Ir]分別為行星輪、太陽(yáng)輪、齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;[θc]、[θs]、[θr]分別為行星架、太陽(yáng)輪、齒圈的轉(zhuǎn)速;[θacj]為第[j]個(gè)行星輪相對(duì)行星架轉(zhuǎn)速，共有[n]個(gè)行星輪;[kar]、[ksa]分別為行星輪與齒圈齒輪副、太陽(yáng)輪與行星齒輪齒輪副的平均嚙合剛度;[Ra]、[Rs]、[Rr]為行星輪、太陽(yáng)輪、齒圈的半徑;[θacj]為第[j]個(gè)行星輪相對(duì)行星架的轉(zhuǎn)角;[Rac]、[Rca]為行星輪和齒圈的平均半徑;[θc]、[θs]、[θr]為行星架、太陽(yáng)輪、齒圈的轉(zhuǎn)角。

針對(duì)拉格朗日算子微分，即可計(jì)算各部件無(wú)阻尼動(dòng)力學(xué)方程。

3 扭轉(zhuǎn)共振控制方法

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性強(qiáng)，大功率、高轉(zhuǎn)速車輛通常采用多個(gè)動(dòng)力源的混合動(dòng)力，且配備大功率柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，在這一類車輛上，不同傳動(dòng)軸在傳遞扭矩時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)頻繁的共振頻率點(diǎn)，而依靠回避“共振點(diǎn)”的方法通常難度大。

改變車輛行駛過(guò)程中動(dòng)力源的工作狀態(tài)，回避部件扭轉(zhuǎn)耦合過(guò)程中扭振帶來(lái)的共振問(wèn)題，能夠有效減少噪聲和系統(tǒng)間的不穩(wěn)定性，而扭轉(zhuǎn)共振控制方法包括三步驟。

首先，建立不同擋位下不同傳動(dòng)路徑下各零部件固有振動(dòng)頻率[f]的矩陣[A]，其中，[n]為第[n]個(gè)擋位，[m]為第[m]個(gè)傳動(dòng)零部件。

然后，建立不同動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)下不同階數(shù)扭振的諧振激勵(lì)頻率[ff]的矩陣[B]，其中，[p]為第[p]種動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)，[k]為第[k]階諧振激勵(lì)頻率。

最后，在第[x]種擋位，第[i]種動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)下的第[j]階扭振的諧振激勵(lì)頻率[ffij]，若滿足式（8）條件，[[fx-δ，fx+δ]]為能夠引起共振的上下邊界頻率，且[ffij]處于該區(qū)間，時(shí)間達(dá)到[Δt]，則改變動(dòng)力源工作狀態(tài);若滿足式（9）條件，[[fx-δ，fx+δ]]為能夠引起共振的上下邊界頻率，且[ffij]處于該區(qū)間，時(shí)間達(dá)到[Δt]，則維持動(dòng)力源工作狀態(tài)。

由于車輛在不同擋位下的動(dòng)力輸出至不同傳動(dòng)路徑，而為了更好地識(shí)別不同擋位針對(duì)不同傳動(dòng)路徑的固有頻率，先統(tǒng)計(jì)不同傳動(dòng)路徑的固有頻率數(shù)值，后針對(duì)該傳動(dòng)路徑下的固有頻率進(jìn)行分解。

在油電混合兩種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的車輛中，在電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的1、2、3、4次諧振激勵(lì)頻率范圍接近傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率時(shí)，[δ]取值介于1～100 Hz，當(dāng)接近1～5 Hz時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，從而改變工作模式，有效避開共振點(diǎn)。若油電混合動(dòng)力同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛，則當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的1、2、3、4次諧振激勵(lì)頻率范圍接近傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率時(shí)，停止其中之一動(dòng)力源的輸出，從而改變振動(dòng)頻率，有效避開共振點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳遞構(gòu)型，本文研究了如何減小多動(dòng)力源耦合傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的扭轉(zhuǎn)共振，保障車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行?；旌蟿?dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)集成了變速器、行星齒輪機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等復(fù)雜機(jī)構(gòu)，工作狀態(tài)更為復(fù)雜，振動(dòng)和噪聲更為突出?；诖耍P者提出了一種針對(duì)混合動(dòng)力汽車的扭轉(zhuǎn)共振控制方法，通過(guò)比較工作狀態(tài)下扭振是否落入各零部件固有振動(dòng)頻率范圍來(lái)控制動(dòng)力源轉(zhuǎn)速和動(dòng)力源狀態(tài)，其比較有效地降低傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振發(fā)生的次數(shù)，未來(lái)要進(jìn)一步在更多數(shù)據(jù)情況下研究模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性?？傊绾螠y(cè)量和分解混合動(dòng)力系統(tǒng)不同部件引起的共振固有頻率，構(gòu)建扭轉(zhuǎn)共振檢測(cè)模型和系統(tǒng)，是進(jìn)一步研究的方向。

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