某PHEV 车型耐久试验后双质量飞轮减振性能恶化及其标定优化

赵 川 侯秋丰 葛双亮 叶鉴民

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

双质量飞轮在传统车型上的应用由来已久，最早可以追溯到20 世纪80 年代。由于其优异的传动系解耦减振性能，在欧洲及中国市场，双质量飞轮被各大OEM 汽车厂商越来越多地应用在增压发动机与手动变速器或双离合变速器配置的车型上[1]。在传统车型上，几大双质量飞轮供应商及各OEM 汽车厂商均有丰富的双质量飞轮整车NVH 匹配测试和开发经验。但对于新能源汽车PHEV/HEV 车型，一方面由于开发车型较少，各双质量飞轮供应商及各OEM 汽车厂商的开发经验相对较少；另一方面由于PHEV/HEV 车型存在更多有别于传动车型的特殊工况，如怠速充电、行车充电、混合驱动、电动-混合动力切换、能量回收、电机反拖起动、电机辅助熄火等，双质量飞轮承受的动态工况更为复杂，存在更多的NVH 问题。本文展示了某PHEV 车型耐久试验后出现充电切换时齿轮敲击的NVH 问题，通过飞轮样件剖析、特制飞轮样件测试，锁定了问题原因，分析了系统的敲击敏感性，有针对性地提出了标定优化策略，解决了问题，为双质量飞轮在新能源汽车上的应用和开发提供了参考。

1 问题介绍

某PHEV 车型耐久试验，里程为10 万km 左右时，原地P 挡进入发动机怠速充电模式的瞬间，存在约1.0 s 连续的“哒哒”敲击声。NVH 主观评分为5.0分，不可接受。经排查，噪声源为变速箱齿轮敲击。如图1 所示，在变速箱壳体上安装的振动传感器所采集到的振动信号存在明显的阶次特征，与发动机点火时的振动主阶次一致。

图1 进入充电工况瞬间敲击异响

2 问题分析

问题车辆更换新双质量飞轮后异响消失，再复装旧飞轮后异响复现，确定与耐久试验后的飞轮相关。将耐久试验后的飞轮返厂测试，其转转特性、基础阻尼、动不平衡量、关键尺寸等均无异常。将飞轮拆解分析，内部子零件无结构损伤，配合间隙及磨损正常。根据双质量飞轮的结构原理以及其应用和开发经验，推测是飞轮减振性能下降，进入充电模式的动态工况下，输出转速波动较大，导致变速箱齿轮敲击。因此，本文策划了几组试验来进行验证，如图2所示。

图2 齿轮敲击验证策划

1）第1 组，耐久试验后飞轮与全新飞轮减振性能对比。试验结果表明，在出现问题的工况，耐久试验后飞轮在减振后输出的转速波动幅值为6 r/min，全新飞轮在减振后输出的转速波动幅值为3 r/min。说明耐久试验后飞轮的减振性能的确降低了，如图3所示。

图3 耐久试验后飞轮与全新飞轮对比测试

2）第2 组，特制一个去除离心摆的新飞轮进行验证。原飞轮内置离心摆（CPA），是供应商舍弗勒技术有限两合公司的专利设计，可以显著提升减振性能。去除CPA 后，减振性能明显降低，怠速充电工况下转速波动升高至9 r/min，变速箱齿轮敲击复现，证明减振性能降低会导致异响，如图4a 所示。

3）第3 组，特制一个基础阻尼超上限的飞轮进行验证。静态检测耐久试验后飞轮的弹簧刚度、基础阻尼均无异常，但静态检测无法反映飞轮的动态性能。推断是动态阻尼、动态刚度发生变化导致飞轮动态减振性能降低。增加基础阻尼后，动态阻尼相应增加。测试显示，转速波动幅值为6 r/min，与耐久试验后飞轮相当。同时，异响也复现，说明动态阻尼增加会导致减振性能恶化，如图4b 所示。

图4 特制去CPA 飞轮与加大基础阻尼飞轮对比测试

4）第4 组，拆解耐久试验后飞轮，将其子零件分组并分别装配至新飞轮中，进行对比验证。为了确定哪些子零件对动态阻尼产生影响，分为3 个组合件：组合件1 为弧形弹簧+导轨组；组合件2 为从动法兰+膜片弹簧+阻尼片组；组合件3 为前壳+后壳组。分组示意图如图5 所示。

图5 子零件拆解分组

组合件1 在运行工况下，2 者之间存在摩擦阻尼；组合件2 在设计功能上，提供飞轮的基础摩擦阻尼；组合件3 在结构上提供形成基础摩擦阻尼的摩擦面。将组合件1、组合件2 分别上车验证，测试结果表明，组合件1 的转速波动幅值为5 r/min，与耐久试验后飞轮相当，同时异响也复现；组合件2 的测试结果与全新飞轮相当，主观评测无异响，如图6 所示。因此，确定耐久试验后弧形弹簧与导轨（组合件1）的动态摩擦阻尼发生变化。

图6 耐久试验后拆解分成的组合件1 与组合件2 测试对比

对耐久试验后弧形弹簧与导轨进行测量分析，静态扭转特性测试显示，弹簧的刚度未发生明显变化；外观检查，弧形弹簧外侧表面目视可见发亮的月牙形磨损区，与其配合的导轨内侧表面存在发亮的条形磨损区，如图7 所示。

图7 耐久试验后弧形弹簧与导轨的磨损痕迹

根据飞轮工作原理，在实际运行工况，发动机的动态转矩不断变化，在初级飞轮和次级飞轮之间传递发动机转矩的弧形弹簧被不停地压缩、回弹，同时，由于离心力作用，弧形弹簧外侧被压在导轨内侧来回摩擦[2]。虽然2 者之间有油脂润滑，但也会产生一定的摩擦阻力矩，即动态摩擦阻尼，如图8 所示。动态摩擦阻尼会引起飞轮的减振性能恶化。随着车辆行驶里程增加，磨损量逐渐增加，根据耐久试验后组合件1 的测试结果可知，弧形弹簧与导轨的磨损导致飞轮工作时动态摩擦阻尼增加，降低了飞轮的减振性能，从而导致异响。

图8 离心力下动态摩擦阻尼示意

飞轮供应商测量了弧形弹簧和导轨的磨损量，结果显示，PHEV 车型弧形弹簧和导轨的局部磨损量在0.10 mm 左右，与传统车型相当（该飞轮通用于PHEV 车型及传统车型）。飞轮供应商评估磨损表面光滑，无异常沟痕或金属剥离，对标其它机型、车型的耐久试验后飞轮，认为这种程度的磨损是正常的，即在PHEV 车型上，飞轮并不存在异常磨损。测量结果见表1。

表1 不同车型磨损量对比

3 系统敏感性分析

上文分析，耐久试验后飞轮内部子零件磨损是正常的，这意味着磨损导致的飞轮动态阻尼增加及减振性能降低是不可避免的。关于飞轮磨损之后会导致变速箱齿轮敲击异响的问题，后续工作重点分析充电模式切换工况下变速箱齿轮敲击的系统敏感性。

该PHEV 混合动力系统采用P2.5 构型，动力电机通过常啮合齿轮安装在变速箱的偶数轴上。原地P 挡怠速充电时，动力流如图9 所示。

图9 怠速充电工况的动力流

原地P 挡进入发动机怠速充电，采用如下策略：首先起动发动机进入怠速转速900 r/min；然后通过控制C2 离合器贴合，将变速箱偶数轴和动力电机的转速拖拽至与发动机转速同步；之后发动机转速爬升至目标充电转速1 050 r/min。同时，动力电机输出负转矩进入充电状态。齿轮敲击发生在转速同步后，发动机转速快速爬升、动力电机负转矩尚未完全建立的1.0 s 内，之后消失，如图10 所示。分析1.0 s 内系统各部分的动态表现：

图10 怠速充电切换工况策略及系统各部分动态表现

1）发动机。C2 离合器接合时，发动机转速由怠速转速900 r/min 被反拖至800 r/min 左右。数据显示，转速下降瞬间，发动机指示转矩快速增大，以提升转速；转速爬升过程中，发动机转矩大，转速波动大。

2）变速箱。在C2 离合器完全结合后，发动机和变速箱实现转速同步，偶数轴的转速波动明显，与敲击噪声对应；当其转速波动降低后，异响消失。

3）动力电机。C2 离合器完全结合后，电机转速波动大，且在约1.0 s 的时间内，电机转矩在0～2 N·m以内，几乎无负载。

根据传动比将双质量飞轮次级部分、变速箱偶数轴、电机转速3 者折算为同样的转速，再将它们积分为相对角位移差进行分析。不考虑轴系刚度的情况下，可以认为角位移差是零件之间的配合侧隙，它的变化可以认为是侧隙的变化[3]。如图11 所示。可以得到次级飞轮与偶数轴的相对侧隙及偶数轴与电机的相对侧隙。分析其变化规律，划分为①-②-③关键时刻。可以看到：

1）①时刻，次级飞轮、偶数轴、电机3 者转速基本相同。此时，次级飞轮与偶数轴的角位移差达到最小值，相当于次级飞轮与偶数轴在反驱侧接触，而驱动侧间隙最大；

2）①-②时刻，次级飞轮转速上升，驱动侧间隙迅速减小，至驱动侧隙最小为0 的②时刻，2 者转速同步；

3）②-③时刻，次级飞轮推动偶数轴加速，使偶数轴与电机齿轮的驱动侧隙迅速减小，至驱动侧隙最小为0 的③时刻，发生敲击。与敲击振动特征对应，可以看到，③时刻振动最大，发生敲击时，被敲击件转速快速上升，而敲击件转速快速下降。

上述数据分析说明，是偶数轴齿轮与电机齿轮发生了敲击，这与电机齿轮壳体附近振动信号最大是对应的。

通过对产生敲击的工况进行系统性分析，得出除飞轮减振性能以外的3 个关键因素：

1）敲击时，发动机转速快速爬升，转矩大，转速波动大，这意味着给系统的激励变大。

2）敲击时，发动机拖拽着变速箱偶数轴及电机爬升转速，偶数轴和电机处于几乎无负载的状态。此时，齿轮处的减速力矩非常低。根据齿轮敲击理论（如图12 所示），当被驱动齿减速力矩小于拖拽力矩时，偶数轴齿轮与电机齿轮处于敲击最敏感状态。

图12 齿轮敲击理论

3）该P2.5 混合动力变速箱的构型如图13 所示，从次级飞轮花键至电机齿轮，存在2 组花键配合、3 组齿轮配合，累计配合侧隙较大，转化为转角最大值约为1°，这也增加了齿轮敲击的敏感性。

图13 传递路径中的花键、齿轮配合

4 解决措施

上文提到，双质量飞轮内部子零件磨损是正常且无法避免的，且无提升其耐磨性的措施。经论证，变速箱齿轮累计间隙也无减小可能。因此，只能从降低系统敏感性的方向制定标定优化策略。优化方向为：

1）控制离合器C2 贴合速率，降低贴合时发动机转速下降的幅值。

2）控制发动机转速爬升速率，降低发动机转速快速爬升时的燃烧激励。

3）控制电机加载时间，离合器C2 完全贴合后，立即加载较大的负转矩，避免偶数轴和电机齿轮处于无负载状态。

经验证，采用上述标定优化策略，整车耐久试验后，P 挡进入充电模式时的齿轮敲击噪声明显降低。虽然客观上敲击特征还存在，但噪声强度明显降低，产生噪声的时间明显减少，主观评分为6.5 分，可接受。如图14 所示。

5 结论

1）整车耐久试验后，双质量飞轮内部子零件弧形弹簧与导轨的磨损导致飞轮的动态阻尼增加，动态减振性能降低。

2）相比传统车型，新能源车型PHEV/HEV 的双质量飞轮存在更多、更复杂的动态工况，因此存在更多的NVH 问题。

3）特定工况下，由耐久试验后飞轮动态减振性能降低导致的NVH 问题，可以通过对系统的敏感性分析，有针对性地采取软件标定优化策略解决。