傳動系統(tǒng)撞擊現(xiàn)象的分析與優(yōu)化

梁博洋，陳達(dá)亮，王東

傳動系統(tǒng)撞擊現(xiàn)象的分析與優(yōu)化

梁博洋，陳達(dá)亮，王東

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

針對某后置后驅(qū)電動客車在收油門工況下產(chǎn)生的撞擊問題，進(jìn)行了整車試驗測試。通過同步采集傳動系統(tǒng)不同位置的噪聲、振動以及轉(zhuǎn)速信號，對撞擊現(xiàn)象進(jìn)行描述，并辨識撞擊發(fā)生位置。以撞擊持續(xù)時間內(nèi)的信號RMS值作為評價指標(biāo)，探究懸置以及齒輪副間隙對撞擊劇烈程度的影響。從降低傳動系統(tǒng)扭矩變化速率的角度出發(fā)，提出了優(yōu)化撞擊問題的措施。優(yōu)化試驗結(jié)果表明：優(yōu)化電機(jī)輸出扭矩以及加裝彈性聯(lián)軸節(jié)的方法是改善撞擊問題的有效手段。

傳動系統(tǒng)；撞擊；試驗；評價指標(biāo)

1 引言

國外學(xué)者對于傳動系撞擊問題進(jìn)行了一定的研究，而國內(nèi)對于該問題研究較少。Robert[2]對踩油門和收油門工況下撞擊進(jìn)行實驗和分析，闡述了撞擊的產(chǎn)生過程，指出發(fā)動機(jī)扭矩變化速率、傳動系統(tǒng)間隙及傳動系統(tǒng)剛度是影響撞擊嚴(yán)重程度的主要因素，并給出了幾種減小撞擊響應(yīng)的優(yōu)化措施；Luiz[3]對手動變速器換擋撞擊問題進(jìn)行研究，從殼體振動加速度、聲壓級、扭轉(zhuǎn)振動加速度角度評價撞擊問題；Enrico[4]以殼體振動加速度峰－峰值和均方根值評價撞擊的嚴(yán)重程度。

本文針對一輛搭載兩擋減速器的后置后驅(qū)電動客車進(jìn)行試驗測試與分析，對其收油門（Tip out，踩下油門踏板之后抬起）工況下存在的撞擊問題進(jìn)行研究，辨別發(fā)生撞擊的部位，以撞擊持續(xù)時間內(nèi)的RMS值評價撞擊的劇烈程度，提出了易于實現(xiàn)的優(yōu)化措施并再次進(jìn)行了試驗驗證。

2 試驗設(shè)計

試驗樣車在某工況下產(chǎn)生撞擊響應(yīng)，采用LMS Test.Lab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析。

2.1 傳動系結(jié)構(gòu)分析與測點布置

傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中藍(lán)色圓形代表振動傳感器，橙色圓形代表麥克風(fēng)傳感器，藍(lán)色矩形代表磁電傳感器，電機(jī)CAN總線記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及電流信號。

圖1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測點布置

2.2 試驗方案制定

整車撞擊測試在筆直平坦的柏油馬路上進(jìn)行，汽車掛一擋加速至30km/h后開始收油門滑行，輕踩油門使車速維持在30km/h附近；掛二擋時加速至40km/h后開始收油門滑行，輕踩油門使車速維持在40km/h附近。試驗工況如表1所示：

表1 試驗工況設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 撞擊現(xiàn)象描述與撞擊位置辨別

傳動系統(tǒng)在電驅(qū)動總成懸置、花鍵連接副、減速器齒輪副、萬向節(jié)、主減速器齒輪副等多處都可能存在間隙，為了觀察撞擊現(xiàn)象并識別撞擊發(fā)生位置，圖2（a）顯示了工況1試驗條件下的測試結(jié)果。

由圖2（a）可知，發(fā)生了兩次明顯、完整的撞擊現(xiàn)象：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由一個正值突然減小至零值附近時發(fā)生撞擊現(xiàn)象，噪聲和振動信號會出現(xiàn)不同程度的幅值突變，然后衰減至平穩(wěn)狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也因為傳動系統(tǒng)內(nèi)部件的撞擊發(fā)生波動。

圖2 工況1測試信號

通過回放麥克風(fēng)聲音，減速器近場噪聲中金屬撞擊聲比主減近場噪聲中金屬撞擊聲更為明顯；減速器殼體出現(xiàn)了明顯的振動加速度突變，而主減殼體、電機(jī)殼體未在發(fā)生撞擊時出現(xiàn)明顯的幅值突變；由圖2（b）各轉(zhuǎn)速測點結(jié)果進(jìn)一步分析，在較大一次撞擊時刻5.96s的各轉(zhuǎn)速信號中，在輸入齒輪軸處轉(zhuǎn)速突變值最大，按照動力傳遞路徑呈現(xiàn)依次減小的變化規(guī)律，說明撞擊發(fā)生在電機(jī)減速器總成一側(cè)。

孔老一被老三的尖叫聲驚醒，猛地掙脫手上的繩子，瘋了似的撲向老三，一把將老三死死抱在懷里，任憑憲兵怎么抽打，再也不肯撒手。憲兵無奈，只好用一根繩子裹粽子一樣一道又一道地將孔老一裹了個嚴(yán)嚴(yán)實實。

3.2 撞擊評價指標(biāo)

在聲學(xué)理論基礎(chǔ)中，聲強(qiáng)與聲能密度及聲壓的關(guān)系為：

式中：I為聲強(qiáng)，D為聲能密度，c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度，ρ為介質(zhì)的密度。

而穿過某一波振面的聲音能量大小與聲強(qiáng)之間的關(guān)系為：

由式（1）和式（2）綜合可得，對于某一確定聲場介質(zhì)密度、聲速、波振面面積等均為常量，聲壓的平方值與聲音能量大小呈正相關(guān)。故對于測試所采集到的聲音時域信號，可以以撞擊持續(xù)時間段內(nèi)信號的均方根（RMS）值反映嚴(yán)重程度。經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的多次考量，將持續(xù)時間定為0.02s可以包含一次完整的沖擊。LMS測試軟件中計算時間信號RMS的公式為：

式中：k為信號中樣本點個數(shù)，y為某一樣本點對應(yīng)的縱坐標(biāo)幅值大小。對于噪聲信號，y表示聲壓大?。▎挝粸镻a）；對于振動信號，y表示加速度大?。▎挝粸間）。

如圖3所示，相比噪聲信號，其抗干擾能力強(qiáng)且布置精確。同一個測點振動信號由三個方向組成，三個方向有較好的一致性，故選取垂直方向（Z向）0.02s內(nèi)的RMS值作為評價指標(biāo)能夠正確反映撞擊的大小，且與噪聲主觀評價結(jié)果一致。后續(xù)振動信號時域圖均由表格代替。

圖3 工況1減速器殼體振動信號

3.3 懸置與齒輪副側(cè)隙對撞擊程度的影響

（1）懸置

懸置是作為連接動力總成和車身的部分存在，主要作用是支撐動力總成、限制動力總成的抖動量、減少動力總成的振動對汽車的影響，對汽車NVH性能起著非常重要的作用，有必要研究其對撞擊嚴(yán)重程度的影響。試驗采用鋁塊懸置代替橡膠懸置的方法改變懸置的剛度，具體分為全橡膠懸置、橡膠鋁塊混合懸置和全鋁塊懸置三種不同剛度組合，如表2所示為工況3試驗條件下減速器殼體振動信號對比。由表可知，三種不同剛度下減速器殼體振動RMS值變化量小于3%，說明懸置對于撞擊的劇烈程度幾乎無影響。

表2 工況3減速器殼體振動RMS值對比

（2）齒輪副側(cè)隙

由于齒輪加工精度、齒輪定位誤差以及齒輪潤滑等因素，嚙合齒輪副之間不可避免地存在一定的間隙，當(dāng)對汽車進(jìn)行踩油門、收油門、起步、停車、換擋等操作時，傳動系統(tǒng)扭矩或負(fù)載發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生了撞擊現(xiàn)象，因此齒輪副側(cè)隙是影響撞擊劇烈程度的重要因素之一。試驗采用去除中間軸的方法消除了一檔常嚙合齒輪副之間的間隙，工況2和工況4條件下減速器殼體振動信號如表3所示。去掉中間軸之后二擋減速器殼體z向振動由4.32g減小到2.16g，說明減少齒輪副間隙可以緩解撞擊的劇烈程度，但是由于傳動系統(tǒng)其他部位間隙仍然存在，撞擊問題沒有被完全消除。

表3 減速器殼體振動RMS值對比

4 優(yōu)化與驗證

本節(jié)對扭矩突變的速率進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化電機(jī)扭矩控制程序以及在萬向節(jié)處加裝彈性聯(lián)軸節(jié)的方法，分別在傳動系統(tǒng)的源頭及中間部分減小扭矩突變的速率，并進(jìn)行試驗驗證。

4.1 優(yōu)化電機(jī)扭矩控制程序

根據(jù)本次測試結(jié)果，設(shè)計了三種扭矩優(yōu)化程序以減小扭矩突變至零值時的速率。如圖4（b）（c）（d）所示，電機(jī)輸出扭矩在下降至某一閾值時開始控制每次扭矩降下幅度，原始程序與優(yōu)化程序在工況1試驗條件下的減速器殼體Z向振動對比結(jié)果如表4所示。經(jīng)過優(yōu)化電機(jī)輸出扭矩后持續(xù)時間內(nèi)RMS值由6.56g分別降低至5.89g、5.42g、5.27g，說明降低電機(jī)輸出扭矩的變化速率能夠有效地優(yōu)化撞擊問題。

圖4 電機(jī)輸出扭矩示意圖

表4 工況1電機(jī)扭矩優(yōu)化對比

4.2 加裝彈性聯(lián)軸節(jié)

彈性聯(lián)軸節(jié)能精確傳遞運(yùn)動和扭矩，不會為傳動系統(tǒng)引入額外的間隙，起到不同程度的減振、緩沖作用，改善傳動系統(tǒng)工作性能[5]。在減速器輸出軸與萬向節(jié)相接處加裝彈性聯(lián)軸節(jié)，其在工況1試驗條件下減速器殼體Z向振動測試結(jié)果如表5所示，持續(xù)時間內(nèi)RMS值由6.56g下降至4.81g，說明加裝彈性聯(lián)軸節(jié)的方法同樣能夠有效地優(yōu)化撞擊問題。

表5 工況1加裝彈性聯(lián)軸節(jié)對比

5 結(jié)論

（1）本文針對一輛搭載兩擋減速器的后置后驅(qū)電動客車在收油門工況下存在的撞擊問題進(jìn)行了試驗研究。根據(jù)試驗結(jié)果對撞擊現(xiàn)象進(jìn)行了描述，并且通過比較噪聲大小以及轉(zhuǎn)速突變值順序初步辨識出撞擊發(fā)生在電機(jī)減速器總成側(cè)。

（2）改變懸置剛度對于撞擊的劇烈程度幾乎無影響；消除減速器齒輪副之間的間隙，可以緩解撞擊問題的劇烈程度；去掉減速器中間軸雖然可以消除傳動系統(tǒng)一部分間隙，但是破壞了減速器結(jié)構(gòu)造成一擋無法使用，不適用于實際優(yōu)化撞擊問題。

（3）從降低傳動系統(tǒng)扭矩變化速率的角度出發(fā)，優(yōu)化電機(jī)輸出扭矩以及加裝彈性聯(lián)軸節(jié)的方法是改善撞擊問題的有效手段。

[1] Gilbert D A, O'Leary M F, Rayce J S. Integrating Test and Analytical Methods for the Quantification and Identification of Manual Trans -mission Driveline Clunk[C].SAE 2001 Noise & Vibration Conferen -ce & Exposition, 2001:1502-1505.

[2] Krenz R A.Vehicle Response to Throttle Tip-In/Tip-Out[C].SAE Sur -face Vehicle Noise and Vibration Conference,1985,94(4):793-800.

[3] Bellatini L, Vettorazzo D, Barbosa C, et al. Rowing Clunk on MT Transmissions for Pick-Up Trucks[C].SAE Brasil International Con -gress and Display,2014:0144-0149.

[4] Enrico Galvagno, Luca Dimauro, Gianluca Mari, et al. Dual Clutch Transmission Vibrations during Gear Shift:A Simulation-Based Approach for Clunking Noise Assessment[C].Noise and Vibration Conference & Exhibition,2019:1553-1556.

[5] 袁躍蘭,馬彪.彈性聯(lián)軸器對車輛動力傳動系統(tǒng)扭振影響研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2018,56(02):20-24.

Analysis and Optimization of Driveline Clunk

Liang Boyang, Chen Daliang, Wang Dong

（China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300）

Aiming at the clunk problem of a rear-drive electric bus under the condition of throttle receiving,the whole vehicle test is carried out.The clunk phenomenon is described by synchronously collecting the noise,vibration and speed signals of different positions of the transmission system,and the location of clunk is identified.Taking the RMS value of clunk duration as the evaluation index,the influence of mounting and gear pair clearance on the severity of clunk is explored.From the point of view of reducing the change rate of transmission system torque,the measures of optimizing clunk problem are put forward.The optimizing test results show that the methods of optimizing motor output torque and installing elastic coupling are effective means to improve clunk problem.

Transmission system; Impact; Test; Evaluation index

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.027

U463.2

A

1671-7988(2021)03-89-04

U463.2

A

1671-7988(2021)03-89-04

梁博洋，碩士研究生，就職于中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，研究方向為汽車傳動系統(tǒng)NVH性能提升、汽車BSR異響解決。