考虑多维动态耦合特性的混合动力行星传动系统瞬态振动放大机理与抑制方法研究

Coupled planetary transmission system is the core component of new energy vehicles, especially hybrid electric vehicles (HEV). But the transient impact and high frequency noise which appeared in the processes of acceleration, deceleration and mode switching, are the difficult problem need to be sorely solved. In consideration of multi-frequency complex excitations and multidimensional dynamic coupling characteristics, the mechanism and suppression method of transient vibration amplification of coupled planetary transmission system of HEV will be studied by means of theoretical analysis and experimental verification. This research will mainly focus on the following aspects: 1) Calculation of internal excitations considering meshing characteristics of hybrid planetary gear system, and the dynamic coupling mechanism analysis between internal and external excitations; 2) Multi-dimensional dynamic coupled vibration models of clutch-gear-shaft-bearing-housing will be established for presenting the transient characteristics of different operating modes (start or stop, acceleration or deceleration, and mode switching process); 3) Study on the transient vibration amplification mechanism and its change regulation of coupled planetary transmission system; 4) Optimization of transient vibration amplification for coupled planetary transmission system based on the method of multi-scale parameters. The scientific significance of this study is to ascertain the transient dynamic characteristics of coupled planetary transmission system. The methodology developed in this research will be a key enabler to analysis the transient amplification characteristic of gear shift process, and further improve the noise quality of the hybrid powertrain.

行星动力耦合传动系统作为新能源汽车特别是混合动力汽车常用的核心部件，其在工况切换、加减速过程中出现的瞬态冲击和高频噪声一直是凾待解决的难题。本项目拟采用理论分析与实验验证相结合的方法，在充分考虑系统多频复杂激励以及各部件多维动态耦合特性的基础上，研究混合动力耦合传动系统的瞬态振动放大机理与抑制优化方法。重点研究：1）基于齿面啮合特性的混合动力行星传动系统内激励，以及各内激励-外激励之间的动态耦合机理分析；2）建立能够反映系统不同阶段（启停机、加减速、动力模式切换）瞬态特性的离合器-齿轮-轴-轴承-壳体多维动态耦合动力学模型；3）行星耦合系统的瞬态振动传递放大机理与变化规律研究；4）基于多尺度参数的行星耦合传动系统瞬态振动抑制优化。本研究的科学意义在于探明混合动力行星耦合传动系统瞬态动力学特性，为后续混合动力工况切换控制提供更合理的机理模型及理论指导，进一步提升混合动力汽车核心动力总成品质。

行星耦合动力传动系统作为新能源汽车特别是混合动力汽车常用的核心部件，能够为车辆提供灵活的动力耦合方式、紧凑的结构布置和高效的传动效率，然而其在工况切换、加减速瞬间表现出的不平稳瞬态冲击以及高频噪声现象，直接影响着整车的振动噪声品质。本项目以轮齿广义转动角度为动力学变量，建立适用于变转速变负载瞬态工况、同时计及轮齿时变啮合刚度、齿侧间隙、离合器结合扭矩等非线性激励因素的发动机/电机-行星耦合机构-半轴-车轮负载的混合动力车轮传动系统扭振瞬态动力学模型；结合混合动力车辆实际加速瞬态工况下的等效外载荷，分别对不同加速速率、多动力源之间不同转速分配对耦合系统瞬态扭转振动影响特性进行分析，为多动力源系统转速扭矩分配提供了除传统的能量最优依据外的瞬态振动最优目标；进一步选取包含行车启动发动机、离合器滑磨结合、齿侧间隙换向过程的纯电至混合动力典型模式切换过程作为研究对象，采取小波变换理论进行系统低频与高频扭振耦合特性研究，表明齿轮间隙造成的脱齿-碰撞现象，加剧车辆模式切换过程中10~100Hz低频扭振（整车层面纵向冲击），同时引发系统10~100KHz高频扭振（系统层面转矩震荡），而齿轮非线性刚度波动则主要集中在对系统高频扭振的影响；据此创新地在传统冲击度（平顺性）指标的基础上增加引入行星齿轮啮合扭振均方根（部件疲劳损伤）指标作为PHEV模式切换过程中的综合评价指标；为解决系统高维非线性以及状态量维数灾难等问题，采取执行依赖启发式动态规划算法（ADHDP）对模式切换过程进行优化控制，结果表明，相较于传统单冲击度优化目标，项目提出的综合优化方法在冲击度略微增加4.2%的同时有效抑制了齿轮扭振（降低28%），最终进行了半实物硬件在环试验验证。项目研究成果丰富了多动力源耦合复杂激励传动系统瞬态动力学理论，有效提升了PHEV模式切换综合品质。