(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208)

0 引言

隨著國家的油耗法規(guī)日趨嚴格，以及國家政策對新能源汽車的大力支持，各汽車廠商都在積極推進新能源汽車的研發(fā)和應用。而混合動力汽車具備油耗低，續(xù)航里程長等優(yōu)點，是電動汽車中具有很好產業(yè)化和市場化前景的車型。

混合動力汽車，是指車輛驅動系統(tǒng)由2個或多個能同時運轉的單個驅動系統(tǒng)聯(lián)合組成的車輛。對于匹配了鋰電池的混合動力汽車，即發(fā)動機和電機的混合動力驅動型式，其實現形式主要是把電機集成到變速箱里，成為新的驅動單元。常用的混合動力變速箱有DHT(混合專用變速箱)，以及基于傳統(tǒng)變速箱DCT/AT/AMT等集成電機系統(tǒng)所形成的混合動力變速箱。

本文所研究的問題是，某采用類似AMT的混合動力變速箱車型在發(fā)動機怠速不充電狀態(tài)下所產生的飛輪和離合器花鍵敲擊噪聲。由于此花鍵存在配合側隙，以及花鍵后端離合器總成的大慣量(約0.09 kg·m2)，在發(fā)動機怠速運轉且離合器無負載時，會在配合的花鍵處產生敲擊噪聲。本文通過優(yōu)化花鍵側隙設計及增加碟簧阻尼機構2種途徑，有效地降低花鍵敲擊能量，消除了花鍵敲擊噪聲，使整車的振動噪聲性能(noise, vibration, harshness, NVH)的表現達到較高的水平，提高了客戶的使用滿意度。

1 飛輪及離合器系統(tǒng)結構

該車型是通過在AMT內增加電機、逆變器等系統(tǒng)，并結合發(fā)動機和鋰電池的動力源，實現混合動力的驅動。發(fā)動機飛輪采用了減振效果良好的雙質量飛輪，變速箱采用常開式離合器，離合器通過球軸承集成在變速箱的輸入軸上，離合器輸入端通過外花鍵與發(fā)動機上飛輪的內花鍵配合，實現飛輪到離合器動力的傳遞，其結構見圖1。

2 花鍵敲擊噪聲機理分析

對于飛輪和離合器通過內外配合的花鍵，其內、外花鍵敲擊的機理可以參考相互嚙合的齒輪敲擊機理進行分析，如圖2所示。

敲擊門檻值理論，被認為是最先針對齒輪敲擊現象提出的客觀評價方法(發(fā)生條件)[1]。 對于平衡方程有：

(1)

從動齒的驅動力矩由輸入特性決定，其轉動慣性矩由其自身轉動慣量和角加速度決定；而轉動慣量取決于零件結構。驅動力矩和轉動慣性矩在系統(tǒng)確定后無法有較大變化，所以增加其阻滯力矩可以有效地降低或消除齒輪敲擊。

3 怠速花鍵敲擊問題

該車輛屬于插電式混合動力車型，其變速箱基于AMT變速箱的架構，在差速器前增加了電機及齒輪與傳動軸系統(tǒng)，以實現純電驅動的高、低擋位。同時，輸入軸上的C擋(充電擋)齒輪與電機齒軸的C擋齒輪產生嚙合，通過離合器和輸入軸C擋齒輪同步器的控制，來實現發(fā)動機與電機的動力連接，給電機充電。其結構如圖3所示。

當車輛電池電量較低時，發(fā)動機會被起動，進入混合動力驅動工況。當掛入D擋、踩住制動踏板車輛停止時，車輛的控制策略會依據制動踏板的開度來決定是否進入充電模式。例如，當制動踏板踩下深度大于35%時，進入C擋，離合器接合，進入怠速充電模式；當制動踏板踩下深度低于35%時，為了確保車輛起步時具備較快響應，車輛則不進入充電模式。此時，離合器始終斷開，離合器外殼總成會通過花鍵與飛輪的配合，實現和發(fā)動機飛輪相同的轉速運轉，而由于離合器未接合，從動盤則處于靜止狀態(tài)。

該車輛的動力系統(tǒng)所采用的發(fā)動機為3缸渦輪增壓發(fā)動機，其輸出存在一定的轉速波動，加上離合器外殼總成的慣量較大(0.09 kg·m2)，即轉動慣性矩較大；同時，離合器外殼總成通過球軸承壓裝于變速箱輸入軸，軸承的阻力矩較小(～0.05 Nm)，即阻滯力矩較小。根據上述的敲擊機理分析，若慣性力矩大于阻滯力矩，驅動力矩變成負值，嚙合齒輪產生分離，此時會產生齒輪敲擊。故在D擋輕踩制動、車輛靜止、車輛未進入怠速充電模式時，就存在明顯的花鍵敲擊噪聲，此噪聲很容易被駕駛員感知，引起抱怨。

4 問題分析及應對措施仿真

4.1 問題分析

為了研究花鍵敲擊噪聲和傳動系轉速波動的關系，進行了怠速不充電(離合器花鍵后端無負載)和怠速充電(離合器花鍵后端有50 Nm充電扭矩負載)2個工況的試驗。試驗發(fā)現，在不充電時，發(fā)動機飛輪和變速箱輸入軸的1.5階次轉速波動值比怠速充電時的都要低，但花鍵敲擊噪聲卻非常明顯。這說明傳動系的轉速波動大小不是影響花鍵敲擊噪聲主要的因素，而離合器花鍵后端有無負載則是決定花鍵是否有敲擊噪聲的關鍵因素。2個工況的對比試驗結果如表1和圖4所示。

表1 怠速充電與不充電時轉速波動對花鍵敲擊噪聲影響的對比試驗結果

從表1和圖4可以看到，怠速不充電時，雖然發(fā)動機和變速箱的轉速波動比怠速充電時要低，但噪聲更明顯，其花鍵敲擊噪聲分布在約1 500 Hz的頻帶，聲強大概為38 dB；怠速充電時，雖然系統(tǒng)的轉速波動較高，但由于離合器后端有50 Nm的負載，所以花鍵敲擊基本不存在，1 500 Hz處沒有明顯的噪聲能量存在。通過對比說明，為了減小或消除敲擊噪聲，增加離合器花鍵后端的阻滯力矩，即給離合器施加負載是可行的。另外，通過減小花鍵配合側隙來消除花鍵敲擊噪聲，理論上也是可行的。

4.2 應對措施仿真

為了研究2種方案對于降低花鍵敲擊能量的效果，對發(fā)動機、曲軸、飛輪，離合器、變速箱等進行模型的簡化，并利用AMESim軟件構建仿真模型(見圖5)進行計算機輔助工程(computer aided engineering, CAE)仿真分析。

當前的離合器和飛輪配合的花鍵配合間隙為0.119～0.201 mm，經過計算并考慮到加工工藝水平，可以將其減小為0.074～0.139 mm。更改的花鍵配合間隙范圍取決于2點：一是為了滿足制造工藝能力；二是在制造工藝所能確保的精度下，保證花鍵配合最小作用側隙>0，從而確保變速箱和發(fā)動機能夠正常裝配。仿真結果(見圖6)表明，花鍵配合間隙為0.119～0.201 mm時，花鍵敲擊沖量為132.8 N·s，花鍵配合間隙為0.074～0.139 mm時，花鍵敲擊沖量為125.6 N·s，降低了5.4%。這說明花鍵配合間隙的調整對敲擊噪聲的影響比較有限。

另外，從圖6中可以看到，阻尼值對于降低花鍵敲擊沖量具有明顯的效果。當阻尼值達2.0 Nm時，花鍵敲擊沖量從132.8 N·s降低為53.2 N·s，降低60%左右。結合花鍵側隙減小和阻尼2.0 Nm方案，可以將花鍵敲擊沖量降低65.4%；從理論上講，可以明顯降低花鍵敲擊噪聲。

5 方案實施及效果驗證

5.1 方案實施

上述仿真結果說明，在花鍵配合兩端增加阻尼結構可以有效降低花鍵敲擊沖量。花鍵配合一端是飛輪，安裝于發(fā)動機上，另一端是離合器，安裝于變速箱上，故阻尼機構必須在發(fā)動機和變速箱裝配后，即飛輪和離合器通過花鍵配合連接后，在飛輪和離合器裝配所形成的空間結構下，實現扭轉阻尼的功能。

本文利用飛輪和離合器裝配后所形成的軸向空間，創(chuàng)新地設計了一種可以產生扭轉阻尼、帶開槽的碟簧機構。開槽碟簧能在較小的載荷下產生較大的變形，常用于軸向尺寸受到限制，而允許有較大橫向尺寸的場合[2]。這種碟簧非常適合安裝在飛輪和離合器間所形成的有限軸向空間里。碟簧機構布局見圖7。

碟簧機構固定于離合器端面上，其端面靠近飛輪一側，包括碟簧底板(離合器花鍵盤)、碟簧、碟簧蓋板等。碟簧的中心線與離合器中心線一致，大端處于離合器端面上，碟簧上面有蓋板，并通過掛鉤與碟簧下端的碟簧底板固定，把碟簧限于其中，防止碟簧脫出。碟簧在離合器上的布局結構見圖8。

當變速箱和發(fā)動機裝配后，被壓縮的碟簧在飛輪和離合器花鍵盤之間產生軸向力，當飛輪和離合器相對轉動時就可以產生扭轉阻尼。由于裝配尺寸鏈的存在，軸向空間值是一個范圍，經計算此車型飛輪和離合器軸向空間值為2.5 mm±1.49 mm。為了保證在不同的間隙下都有較大的阻尼，即保證碟簧有較大的軸向力，碟簧的設計要確保其在該軸向空間值的范圍內軸向力大于某個設定值。

摩擦力矩計算公式[3]如下：

T=zFRμ

(2)

式中：T為摩擦力矩，Nm；z為摩擦面數量，為1；F為碟簧軸向力，N；R為碟簧(小端)半徑，mm；μ為金屬間摩擦系數，一般取0.12。

通過式(2)得到碟簧的軸向力F：

F=T/(Rμz)

(3)

基于現有空間限制，碟簧大端半徑設計為76.8 mm，小端半徑為52.6 mm；因小端半徑決定了摩擦阻尼，故R取52.6 mm。當滯后阻尼為2.0 Nm時，摩擦力矩T為1.0 Nm。經計算，碟簧軸向力F為158.4 N。為了保證碟簧機構阻尼≥2 Nm，須保證安裝高度(2.5 mm±1.49 mm)下的碟簧軸向力≥158.4 N?？紤]到碟簧機構在使用過程中因磨損而導致其軸向力衰減等因素，將碟簧軸向力下限值設計為目標值的1.1倍。利用碟簧的力學特性，基于本方案的要求，設計了本方案的碟簧剛度特性，見圖9?？梢钥吹剑诘砂惭b高度下極限1.0 mm和上極限4.0 mm時，碟簧的軸向力最小，但碟簧的軸向力值都>179 N。即由此設計產生的摩擦力矩>1.1 Nm，滯后阻尼>2.2 Nm，滿足設計要求。

5.2 效果驗證

將原設計方案和帶碟簧機構的離合器安裝于問題車輛，測試無碟簧機構和有碟簧機構的整車噪聲，結果如圖10所示。

通過對比發(fā)現，帶有碟簧機構的噪聲明顯改善，在1 500 Hz處花鍵敲擊噪聲明顯降低，分貝值從38 dB降低到約18 dB，基本消除了花鍵敲擊噪聲。同時，在發(fā)動機熄火時，在雙質量飛輪共振區(qū)間(～340 r/min)會產生沖擊，由于阻尼的抑制作用，雙質量飛輪本身彈簧和法蘭盤的敲擊噪聲及飛輪和離合器花鍵的敲擊噪聲都得到了很好的抑制，熄火敲擊噪聲也明顯改善?？梢哉f，碟簧機構不僅消除了怠速不充電時的花鍵敲擊噪聲，也明顯改善了熄火時的敲擊噪聲，很好提升了整車的NVH品質。

6結論

本文針對混合動力變速箱發(fā)生的飛輪和離合器花鍵敲擊問題，提出創(chuàng)新的設計理念，并申請了發(fā)明專利。通過設計新的碟簧機構來實現扭轉阻尼，從而消除了怠速時的花鍵敲擊噪聲，同時也改善了熄火時雙質量飛輪的敲擊噪聲，很好地提升了整車NVH品質。相對于傳統(tǒng)燃油車來說，新能源汽車驅動系統(tǒng)由于結構的巨大差異，在NVH方面必將存在新的挑戰(zhàn)，只有用創(chuàng)新的思路，創(chuàng)新的設計，才能更好地應對新挑戰(zhàn)，開發(fā)出高品質的產品。