混动专用变速器电机输入轴断裂问题分析解决

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.01.018

摘要/Abstract

摘要：

某型号混合动力专用变速器在动总台架及整车试验过程中发生P1电机输入轴断裂的问题，在排除电机输入轴本身强度问题的基础上，首次发现在P1电机连续短时起动发动机过程中存在双质量飞轮（DMF）的共振并圈现象。在此基础上，建立一维动力学仿真模型，验证了双质量飞轮的共振并圈现象，发现该现象导致电机输入轴产生的转矩为正常起动过程中转矩的5~6倍。最后提出一种优化起动过程的控制策略，解决了双质量飞轮的共振并圈，进而解决电机输入轴的断裂问题，同时也优化了整车起动过程的NVH性能。这为混合动力系统开发过程中类似问题的解决提供了一种新的思路，具有很强的指导意义和工程价值。

关键词: 混合动力变速器, 输入轴断裂, P1电机, 双质量飞轮（DMF）, 共振

Abstract:

A type of dedicated hybrid transmission P1 motor input shaft fracture occurs during bench and vehicle test process， on the basis of excluding the strength problem of the motor input shaft itself， overload collision phenomenon of dual mass flywheel （DMF） caused by system resonance is found during continuous short time engine startup process assisted by P1 motor. Based on this， one-dimensional dynamic simulation model is established and overload collision of DMF caused by system resonance is verified. It is found that the torque of motor input shaft is 5-6 times compared with that of the normal engine startup process due to system resonance. Finally， the optimized control strategy is proposed to solve the resonance and overload collision problem of the dual mass flywheel during the engine startup process， and then the fracture problem of motor input shaft is solved， and the NVH performance of the vehicle during engine startup is improved as well. It provides a new idea for similar problem solving in the development process of hybrid power-train system， which has strong instructive and engineering value.

Key words: dedicated hybrid transmission, input shaft fracture, P1 motor, dual mass flywheel （DMF）, resonance

袁秋华,胡军峰,阮刘明,李勤华,陈敏治,邓晓龙,汤天宝,刘文强. 混动专用变速器电机输入轴断裂问题分析解决[J]. 汽车工程, 2023, 45(1): 157-168.

Qiuhua Yuan,Junfeng Hu,Liuming Ruan,Qinhua Li,Minzhi Chen,Xiaolong Deng,Tianbao Tang,Wenqiang Liu. Analysis and Solution of Motor Input Shaft Fracture of Dedicated Hybrid Transmission[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(1): 157-168.

图/表 33

图1

表1

图2

表2

图3

表3

图4

图5

表4

图6

图7

图8

表5

图9

图10

表6

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

图18

图19

图20

表7

图21

图22

图23

图24

图25

图26

参考文献 24

1	陈启略. 汽车变速器输出轴断裂原因分析［J］. 热处理， 2021， 36（4）： 38-41.
	CHEN Q L. Analysis on breaking of output shaft of automobile transmission［J］. Heat Treatment， 2021， 36（4）： 38-41.
2	程森，马卓，宋萌萌，等. 某款变速器中间轴断轴失效分析［J］. 汽车零部件， 2018 （12）： 62-64.
	CHENG S， ZHUO M， SONG M M， et al. Failure analysis of interaxial broken shaft in a transmission［J］. Automobile Parts， 2018 （12）： 62-64.
3	石权. 某型变速器输入轴断裂机理的宏微观分析［J］. 金属加工（热加工）， 2016 （3）： 49-50.
	SHI Q. Macro and micro analysis of fracture mechanism of input shaft of a transmission［J］. MW Metal Forming， 2016 （3）： 49-50.
4	车兆华，姜涛，张德平. 混合动力客车驱动电机轴断裂原因分析及解决办法［J］. 机电技术， 2015（1）： 100-102，105.
	CHE Z H， JIANG T， ZHANG D P. Cause analysis and solution of driving motor shaft fracture of hybrid electric bus［J］. Mechanical & Electrical Technology， 2015（1）： 100-102，105.
5	李明，胡博，葛帅帅，等. 并联式混合动力汽车能量管理与模式切换控制研究［J］. 南京理工大学学报， 2020， 44（6）： 696-704.
	LI M， HU B， GE S S， et al. Review of energy management and mode transition control of parallel hybrid electric vehicles［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology， 2020， 44（6）： 696-704.
6	LIU H， ZHANG X， CHEN Y Q， et al. Active damping of driveline vibration in power-split hybrid vehicles based on model reference control［J］. Control Engineering Practice， 2019， 91： 4085.
7	赵治国，唐旭辉，付靖，等. 功率分流混合动力系统发动机停机优化控制［J］. 汽车工程， 2020， 42（8）： 993-999，1007.
	ZHAO Z G， TANG X H， FU J， et al. Optimal control of engine shutdown for power-split hybrid system［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（8）： 993-999，1007.
8	庄杰，杜爱民，许科. ISG型混合动力汽车发动机启动过程分析［J］. 汽车工程， 2008， 30（4）： 305-308，344.
	ZHUANG J， DU A M， XU K. An analysis on quick start of engine in ISG HEV［J］. Automotive Engineering， 2008， 30（4）： 305-308，344.
9	吴维，苑士华，胡纪滨，等. 液压自由活塞发动机止点位置控制研究［J］. 兵工学报， 2013， 34（5）： 513-518.
	WU W， YUAN S H， HU J B， et al. Dead center control of hydraulic free-piston engines［J］. Acta Armamentarii， 2013， 34（5）： 513-518.
10	GUO R， HAN S， WANG M J， et al. Electric motor based crankshaft stop position control to suppress range extender start vibration in electric vehicle［J］. Journal of Low Frequency Noise， Vibration and Active Control， 2018， 37（3）： 422-442.
11	CHEN J S， HWANG H Y. Engine automatic start-stop dynamic analysis and vibration reduction for a two mode hybrid vehicle［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， 2013， 227（9）： 1303-1312.
12	胡云峰，顾万里，梁瑜，等. 混合动力汽车启停非线性控制器设计［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2017， 47（4）： 1207-1216.
	HU Y F， GU W L， LIANG Y， et al. Start-stop control of hybrid vehicle based on nonlinear method［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2017， 47（4）： 1207-1216.
13	戴一凡，罗禹贡，李克强，等. 单电机强混合动力电动车辆的动态协调控制［J］. 汽车工程， 2011， 33（12）： 1007-1012.
	DAI Y F， LUO Y G， LI K Q， et al. Dynamic coordinated control for a full hybrid electric vehicle with single motor［J］. Automotive Engineering， 2011， 33（12）： 1007-1012.
14	UEDA K， KAIHARA K， KUROSE K， et al. Idling stop system coupled with quick start features of gasoline direct injection［J］. Journal of Engines， 2001， 110： 471-480.
15	LIU D H， YU H S， ZHANG J W. Multibody dynamics analysis for the coupled vibrations of a power split hybrid electric vehicle during the engine start transition［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part K： Journal of Multi-body Dynamics， 2016， 230（4）： 527-540.
16	陈汉玉，左承基，袁银男. 轻度混合动力车发动机Start/Stop系统控制策略［J］. 农业工程学报， 2012， 28（7）： 97-102.
	CHEN H Y， ZUO C J， YUAN Y N. Control strategy for engine start/stop system of mild hybrid electric vehicle［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（7）： 97-102.
17	张帆，郭益平，周伟敏. 材料性能学［M］. 上海：上海交通大学出版社， 2014： 100-120.
	ZHANG F， GUO Y P， ZHOU W M. Ｍaterial properties［M］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University Press， 2014： 100-120.
18	厉树忠. 金属断裂及断口分类的逻辑问题与修正［J］. 西北师范大学学报（自然科学版）， 1992 （4）： 31-39.
	LI S Z. Logical problems and correction of metal fracture and fracture classification［J］. Journal of Northwest Normal University（Natural Science）， 1992 （4）： 31-39.
19	张贵辉，陈闯，石磊，等. 汽车双质量飞轮启动工况的仿真分析与研究［J］. 新技术新工艺， 2022 （3）： 69-74.
	ZHANG G H， CHEN C， SHI L， et al. Simulation analysis and study for start condition of vehicle dual mass flywheel［J］. New Technology & New Process， 2022 （3）： 69-74.
20	WANG Y L， QIN X P， HUANG S， et al. Design and analysis of a multi-stage torsional stiffness dual mass flywheel based on vibration control［J］. Applied Acoustics， 2016， 104： 172-181.
21	LEE H J， SHIM J K. Multi-objective optimization of a dual mass flywheel with centrifugal pendulum vibration absorbers in a single-shaft parallel hybrid electric vehicle powertrain for torsional vibration reduction［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2022， 163.
22	ZENG L P， SONG L Q， ZHOU J D. Design and elastic contact analysis of a friction bearing with shape constraint for promoting the torque characteristics of a dual mass flywheel［J］. Mechanism and Machine Theory， 2015， 92： 356-374.
23	陈龙，史文库，陈志勇，等. 双质量飞轮扭转特性分析与整车试验研究［J］. 汽车工程， 2019， 41（11）： 1294-1300，1319，
	CHEN L， SHI W K， CHEN Z Y， et al. An analysis on torsional characteristics of dual mass flywheel and vehicle test study［J］. Automotive Engineering， 2019， 41（11）： 1294-1300， 1319.
24	曾礼平，陈齐平，宋立权. 考虑摩擦力矩和含间隙变化刚度的双质量飞轮非线性振动研究［J］. 振动与冲击， 2018，37（6）： 231-237.
	ZENG L P， CHEN Q P， SONG L Q. Nonlinear vibration of a dual mass flywheel considering the friction torque and clearance variation characteristics of the stiffness of damping spring［J］. Journal of Vibration and Shock， 2018， 37（6）： 231-237.

车辆编号	里程/km	发生现象
1#车	1 000	断轴
2#车	200	双向裂纹
3#车	200	单向裂纹

动力总成编号	进程/%	发生现象
1#动力总成	68	断轴
2#动力总成	176	裂纹
3#动力总成	36.4	裂纹

力学名称	数值
抗拉强度/MPa	1 373
屈服强度/MPa	1 187
表面UTS（硬度650HV1）/MPa	2 465
芯部UTS（硬度240HV1）/MPa	820

序号	参数	数值
1	DMF初级惯量/ （kg·m²）	0.089
2	DMF次级惯量/ （kg·m²）	0.026
3	单边自由行程/（°）	5.0
4	1级刚度/ （N·m·（°）^-1）	3.9
5	1级刚度行程/（°）	40
6	2级刚度/ （N·m·（°）^-1）	8.9
7	2级刚度行程/（°）	70

起动数据		DMF是否并圈	飞轮最大摆角/（°）	输入轴最大转矩/（N·m）
起动失火	数据1	是	72.9	3 500
起动失火	数据2	是	70.7	3 251
起动中断	数据3	是	68.1	2 956
	数据4	否	46.2	457
	数据5	否	61.6	590
	数据6	是	81.9	3 057
正常起动	数据7	否	38.5	558
正常起动	数据8	否	63.8	414