张征

（装甲兵工程学院机械工程系，北京100072）

基于MATLAB的混合电动车驱动系统扭振分析

张征

（装甲兵工程学院机械工程系，北京100072）

混合电动车（HEV）是传统汽车与电动车相结合的产物，汽车工业发展的新趋势新方向。介绍了HEV的基本特点和驱动类型，根据HEV动力系统的基本框架，采用离散质量法和模态综合法对HEV动力传动系进行了扭振分析，采用MATLAB软件将各个零部件模块化，计算出柴油机子系统的各阶次的固有频率和振型。

MATLAB；混合电动车；传动系；扭振

HEV是同时采用了燃油发动机和电动机作为其动力装置的一种汽车。HEV本身也是一个由多个具有固有振动特性子系统构成的复杂振动系统，其中作为子系统之一的动力传动系是HEV噪声和振动的重要激励源。HEV的动力传动系统是车辆的重要组成部分，是由发动机到驱动轮之间的各个部件（单元）所组成的。目前，随着汽车工业逐渐向大功率、高转速方向的发展，动力传动系统的扭振问题逐渐突出。因此，本文应用高级编程语言MATLAB的程序设计进行计算。利用MATLAB把各零部件模块化，对混合电动车动力传动系的扭振进行研究，为混合动力车的技术进步打下基础。

1　HEV的动力系统

HEV的动力系统与普通电动车及发动机车辆相比要相对复杂，一般采用两套驱动系统。根据HEV驱动系统的配置组合方式，可将HEV道路系统分为串联式混合动力系统、并联式混合动力系统及混联式混合动力系统3类［1］。本文主要根据串联式混合驱动系统建立振动模型。

串联式混合动力汽车由发动机、发电机、电动机三大总成组成。这种驱动方式采用电动机直接驱动车轮的驱动方式，两种动力装置呈现直列式排列，发动机带动发电机发电，产生的电能直接输送到电动机用于驱动汽车，或者输送到电池作为发动机输出和电动机需求的调节装置。

2　HEV中柴油机的扭振模型

现以柴油机为例进行振动分析。柴油机的振动形式包括整机的振动、曲轴系统的扭转振动以及配气机构的振动等。汽车行驶过程中，车辆动力传动系的质量和弹性分布不均匀，在不平道路上柴油机气缸的燃气压力和运动件会产生周期性变化的惯性力，使得柴油机整体和曲轴系统产生振动。其中曲轴系统的扭转振动十分重要，与整车传动系统振动有关［2］。

文章采用离散质量法柴油机曲轴系统进行离散处理，得到柴油机曲轴的离散质量模型如图1所示。图1中n为质量点个数，I1～n分别表示对应各质量点的转动惯量，K1～（n-1）分别表示各弹性轴段的刚度［3］。

图1　柴油机曲轴当量系统

根据力学模型和达朗贝尔原理，利用拉格朗日方程建立系统n个集中质量的无阻尼扭振方程方程：

式（1）中，I为转动惯量矩阵，θ为角位移列矢量，K为刚度矩阵。

其矩阵形式为：

式（3）中θ1～n表示各质量振动角位移。

3　MATLAB分析的实现

将式（5）代入式（1）得：

设系统矩阵S=I-1K，且令λ=p2，则式（6）可化为：

其中，E为单位矩阵。

因此，自由扭振计算便归结为求解特征值、特征向量的问题。求得λ=ω2，对特征值开方后，即为系统轴系的固有频率，A为振幅。据此，可求出传动系的临界转速。利用MATLAB编制的M文件进行计算。

由上述公式编程后，在如图2所示的柴油机扭振分析人机界面中输入6缸4冲程柴油机的参数后，程序可自动输出固有频率和主振型的结果，如图3所示。

MATLAB的图形界面（GUI）功能，具有强大的数值计算能力，能够增加计算分析的交互性。本文设计了柴油机扭振分析的人机界面（如图2所示）。用户可在人机界面中直接输入发动机、齿轮、电机参数，然后根据需要选择输出结果［3］。

图2　柴油机扭振分析的人机界面

4　计算过程及结果

以某6缸4冲程柴油机为例，由以上动力学模型和MATLAB程序进行计算，得到固有频率和主振型。

设式（1）的解为：

假设柴油机系统各集中质量均以同一频率p同一初相位φ作简谐振动，则：

图3　固有频率和主振型的计算结果

5　结束语

文章根据HEV驱动系统模型，采用离散质量法和模态综合法对混合电动车的动力传动系进行了扭振分析，采用MATLAB软件方便且精确的计算柴油机子系统的各阶次的固有频率和振型，实现了用户和计算机之间方便的信息交流。

［1］杜雪飞，孙跃.混合电动车及其电气驱动系统［J］.重庆大学学报，2002，25（9）:59-62.

［2］梁价，霍拳忠.内燃机的振动问题［M］.天津:天津大学出版社，1989.

［3］钟麟，王峰.MATLAB仿真技术与应用教程［M］.北京：国防工业出版社，2004.

Analysis on the Twisting Vibration of HEV Drive System based on MATLAB

ZHANG Zheng
（Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

HEV is a combination of HV and traditional vehicles which tend to be a new areas of vehicle industry. This paper gives a brief introduction of HEV and discusses the system of HEV based on two methods to analyze the twisting vibration of HEV drive system and uses MATLAB to achieve component modularization and to calculate the inherent frequency and main vibrate form of HEV subsystems.

MATLAB；HEV；drive system；twisting vibration

U463.213

A

1672-545X（2016）07-0076-03

2016-04-21

张征（1993-），女，河北承德人，硕士研究生（在读），研究方向：车辆工程。