某客車(chē)傳動(dòng)系加/減油門(mén)Clunk問(wèn)題分析與解決

馬虎森，陳曉利

(陜西法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院，陜西西安 710119)

0 引言

汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、后橋等組成的復(fù)雜非線性彈性系統(tǒng)，間隙不可避免，其扭轉(zhuǎn)自由度振動(dòng)是影響車(chē)輛NVH的重要方面。特別急加/減油門(mén)時(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩短時(shí)間內(nèi)驟升/驟降，間隙的存在使得系統(tǒng)產(chǎn)生很大扭矩沖擊，引起系統(tǒng)低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在齒輪嚙合副、花鍵接觸副之間出現(xiàn)撞擊，產(chǎn)生令人不適的噪聲。這種加/減油門(mén)帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和沖擊的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題歸結(jié)為“Clunk”的現(xiàn)象[1-2]。

A ROBERT[3]對(duì)車(chē)輛加/減油門(mén)時(shí)Clunk和Shuffle的現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)測(cè)試和描述。H SHIOZAKI等[4]采用時(shí)域傳遞路徑方法分析了某乘用車(chē)加/減油門(mén)瞬態(tài)沖擊問(wèn)題。李文禮[5]建立傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)傳動(dòng)系加減速進(jìn)行了模擬測(cè)試。X H LU等[6]針對(duì)加/減油門(mén)瞬態(tài)沖擊問(wèn)題建立簡(jiǎn)化集中質(zhì)量動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行仿真分析。K PARK[7]介紹一種改善“Clunk”問(wèn)題的ETC (Electronic Throttle Control)輸入波形控制策略。姜丹娜等[8]基于動(dòng)力學(xué)仿真模型研究了間隙分布對(duì)加/減油門(mén)對(duì)駕駛性的規(guī)律。袁旺等人[9]建立了乘用車(chē)傳動(dòng)系3擋集中參數(shù)扭振模型，研究表明小剛度離合器可以有效改善傳動(dòng)系的瞬態(tài)性能。

諸多學(xué)者通過(guò)理論或者實(shí)驗(yàn)對(duì)Tip-in/Tip-out瞬態(tài)工況性能進(jìn)行了研究，但如何快速有效解決加/減油門(mén)瞬態(tài)工況下的“Clunk”問(wèn)題存在很大困惑。首先進(jìn)行整車(chē)加/減油門(mén)Clunk問(wèn)題扭振測(cè)試，分析問(wèn)題現(xiàn)象；進(jìn)而基于AMESim軟件建立了某客車(chē)傳動(dòng)系系統(tǒng)仿真模型，考慮系統(tǒng)非線性的影響，以3擋為例研究發(fā)動(dòng)機(jī)濾波和間隙對(duì)加/減油門(mén)“Clunk”現(xiàn)象的影響，并進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證及測(cè)試。對(duì)于傳動(dòng)系匹配和整車(chē)NVH性能提升具有重要指導(dǎo)意義。

1 整車(chē)Tip-in/Tip-out轉(zhuǎn)速測(cè)試

某客車(chē)12 m客車(chē)匹配6速手動(dòng)變速器在整車(chē)瞬態(tài)工況主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)系在急減油門(mén)時(shí)各擋位出現(xiàn)不同程度撞擊聲，尤其是松油門(mén)“Clunk”問(wèn)題，嚴(yán)重影響駕駛的平順性和乘坐的舒適性。

1.1 傳感器布置

在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼觀察窗口蓋處安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，在變速器大殼(中間軸超速擋齒輪對(duì)應(yīng)位置)安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量變速器中間軸轉(zhuǎn)速，在變速器后端法蘭盤(pán)安裝激光式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量后橋輸入端轉(zhuǎn)速。具體位置如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速傳感器安裝位置

1.2 測(cè)試結(jié)果分析

圖2為3擋傳動(dòng)系發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端、變速器一軸端和變速器法蘭端轉(zhuǎn)速信號(hào)(變速器中間軸和變速器法蘭端轉(zhuǎn)速按速比進(jìn)行了換算)。

圖2 3擋傳動(dòng)系各位置轉(zhuǎn)速時(shí)域測(cè)試信號(hào)

在加/減油門(mén)的時(shí)候，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)幾赫茲的低頻大幅值波動(dòng)；且在波動(dòng)過(guò)程中變速器一軸端和變速器法蘭端轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在較大幅值的轉(zhuǎn)速差。在車(chē)內(nèi)主觀感受急加速時(shí)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一次撞擊聲，急減速時(shí)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)2～3次的撞擊聲。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型建立

基于AMESim軟件進(jìn)行建模仿真分析，建模遵循集中參數(shù)建模原則，機(jī)械系統(tǒng)建模包括慣量元件、容性元件和阻性元件。仿真建模系統(tǒng)進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，以達(dá)到建模和計(jì)算方便的目的。

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真建模

建立的某客車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振仿真分析模型，如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)按給定扭矩map的方式模擬。離合器從動(dòng)盤(pán)按實(shí)際測(cè)試特性曲線模擬。變速器根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)在AMESim軟件建立齒輪嚙合模型，考慮齒輪間隙和花鍵間隙。后橋主減和差速器等效為行星輪系。車(chē)輪等效為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。車(chē)身質(zhì)量按經(jīng)驗(yàn)公式等效為平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。行駛阻力按經(jīng)驗(yàn)公式給定。

圖3 傳動(dòng)系扭振仿真分析模型

2.2 主要參數(shù)獲取

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩map：發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩map是通過(guò)靜態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)獲取的，如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩map圖

(2)離合器從動(dòng)盤(pán)實(shí)測(cè)特性曲線：為了更好模擬離合器從動(dòng)盤(pán)對(duì)的特性，在性能檢測(cè)臺(tái)測(cè)試獲得了離合器從動(dòng)盤(pán)實(shí)測(cè)特性曲線，如圖5所示。

圖5 離合器從動(dòng)盤(pán)實(shí)測(cè)特性曲線

(3)車(chē)身等效慣量及阻力：車(chē)身質(zhì)量按經(jīng)驗(yàn)公式等效為平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)需考慮輪胎滾動(dòng)阻力力矩和空氣阻力等效阻力力矩[9]。

2.3 仿真分析結(jié)果

圖6—圖7為某客車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)3擋加/減油門(mén)仿真結(jié)果。圖6給出了油門(mén)開(kāi)度的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器一軸和后橋輸入端扭矩仿真分析結(jié)果，由圖可知在加/減油門(mén)過(guò)程中系統(tǒng)扭矩存在大幅值波動(dòng)，由于傳動(dòng)間隙的存在，在主被動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在較大幅值的扭矩沖擊。圖7對(duì)應(yīng)給出了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出、變速器一軸和后橋輸入端轉(zhuǎn)速(已按速比換算)仿真信號(hào)，同樣在加/減油門(mén)的時(shí)候，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)幾赫茲的低頻大幅值波動(dòng)；且在波動(dòng)過(guò)程中變速器一軸和變速器法蘭端轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在較大幅值的轉(zhuǎn)速差，后橋輸入端相對(duì)轉(zhuǎn)速差幅值最大。該轉(zhuǎn)速仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

圖6 扭矩仿真結(jié)果

圖7 轉(zhuǎn)速仿真分析結(jié)果

3 不同影響因素仿真分析

3.1 不同發(fā)動(dòng)機(jī)濾波時(shí)間的仿真分析結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)濾波時(shí)間影響加減油門(mén)扭矩上升/下降時(shí)間，圖8為仿真不同濾波時(shí)間油門(mén)開(kāi)度曲線示意圖。圖9為不同濾波時(shí)間變速器一軸扭矩仿真結(jié)果，由圖可知隨著濾波時(shí)間的增加，加減油門(mén)時(shí)扭矩波動(dòng)幅值減小，在扭矩正負(fù)變換過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩沖擊也明顯降低。

圖8 不同濾波時(shí)間油門(mén)開(kāi)度曲線

圖9 不同濾波時(shí)間變速器一軸扭矩仿真結(jié)果

圖10為不同濾波時(shí)間變速器一軸轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，由圖可知隨著濾波時(shí)間的增加，踩油門(mén)/松油門(mén)時(shí)變速器一軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值明顯減小，且松油門(mén)時(shí)轉(zhuǎn)速差幅值也減小，存在1處較大幅值的轉(zhuǎn)速差。

圖10 不同濾波時(shí)間下的變速器一軸轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

3.2 不同傳動(dòng)間隙仿真分析結(jié)果

為了研究傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪間隙的影響，分別仿真分析變速器嚙合齒輪間隙、后橋主減間隙對(duì)傳動(dòng)系Clunk問(wèn)題的影響，圖11、12為不同間隙下變速器一軸轉(zhuǎn)速仿真分析結(jié)果，由圖可知隨著齒輪間隙的變化，變速器一軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯變化。

圖11 不同嚙合齒輪側(cè)隙下變速器一軸轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12 不同后橋主減側(cè)隙下變速器一軸轉(zhuǎn)速變化曲線

4 有效方案實(shí)車(chē)驗(yàn)證

通過(guò)前面仿真分析結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)濾波為改善傳動(dòng)系統(tǒng)Clunk問(wèn)題的有效方案，調(diào)整傳動(dòng)間隙幫助不大。故客車(chē)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)0.25 s和0.5 s濾波，達(dá)到預(yù)期效果，再次驗(yàn)證了仿真結(jié)果正確性。關(guān)于傳動(dòng)間隙在售后市場(chǎng)嘗試驗(yàn)證，均無(wú)明顯改善效果。

圖13給出了不同發(fā)動(dòng)機(jī)濾波時(shí)間變速器一軸和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)增加0.25 s和0.5 s濾波，變速器一軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)和轉(zhuǎn)速差均明顯降低。0.25 s濾波、0.5 s濾波加油門(mén)時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值分別降低約15%和24%；松油門(mén)時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)分別降低約35%和73%，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速差降低約40%、74%，且發(fā)動(dòng)機(jī)增加0.25 s濾波還存在一下輕微敲擊，主觀評(píng)價(jià)可以接受，0.5 s濾波無(wú)敲擊。

圖13 不同發(fā)動(dòng)機(jī)濾波時(shí)間變速器一軸和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果(3擋)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)整車(chē)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了加/減油門(mén)時(shí)“Clunk”問(wèn)題系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化，并建立傳動(dòng)系統(tǒng)AMESim仿真分析模型，結(jié)合測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的正確性，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)濾波時(shí)間、齒輪間隙對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)加/減油門(mén)Clunk問(wèn)題的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明，增加發(fā)動(dòng)機(jī)濾波可有效改善或消除加/減油門(mén)時(shí)“Clunk”問(wèn)題，改變傳動(dòng)系間隙對(duì)“Clunk”問(wèn)題的解決幫助不大。