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車輛傳動系統(tǒng)Tip in/out clunk問題分析

2020-06-13 00:02:09·  來源：MStarsEngineeringService  
　
在Tip in/out工況下的Clunk和Shuffle是車輛對動力傳動系統(tǒng)中扭矩突然反轉(zhuǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)，無論傳統(tǒng)燃油車和新能源電動車，均是常見的NVH和駕駛性問題。在靜態(tài)的扭矩
在Tip in/out工況下的Clunk和Shuffle是車輛對動力傳動系統(tǒng)中扭矩突然反轉(zhuǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)，無論傳統(tǒng)燃油車和新能源電動車，均是常見的NVH和駕駛性問題。在靜態(tài)的扭矩反轉(zhuǎn)的換檔過程中，如D-R和R-D切換時，也會觀察到clunk的現(xiàn)象，他們產(chǎn)生的機理和現(xiàn)象是類似的。把注意力放在在Tip in/out工況的Clunk 和Shuffle上具有普遍性的意義。
 
Tip in/out的操作有很大差別，包括了扭矩狀態(tài)（均速的正扭矩，滑行的負(fù)扭矩），油門開度（6%到100%之間變化），持續(xù)時間（有小于1秒的非常短時Tip in，超過2秒的長時Tip in，以及連續(xù)短時Tip in），不同檔位不同速度等多種因素。
低速負(fù)扭矩Tip in的問題嚴(yán)重程度以及Clunk和shuffle出現(xiàn)的頻次都是最高的，我們對此作為主要研究對象。篇幅所限，我們會分多篇文章把Tip in/out clunk產(chǎn)生的機理，測試與分析，扭矩控制等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析與描述。
 
車輛Tip in/out Clunk問題之一：產(chǎn)生機理
 
下圖是典型的前驅(qū)車型Tip in / out的測試曲線，(a)為Tip in的放大圖，(b)為Tip out放大圖。曲線中包括了半軸扭矩，油門位置，發(fā)動機轉(zhuǎn)速，半軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向節(jié)振動幾個典型的物理量，其中以高品質(zhì)扭矩曲線為核心，它能反映系統(tǒng)扭矩在半軸上的表現(xiàn)，即控制的結(jié)果，同時表征了系統(tǒng)的非線性狀態(tài) - 間隙，這個零點也是高品質(zhì)扭矩曲線的特征。
 
典型的Tip in / out的測試曲線
 
只有通過扭矩曲線中可以觀察Tip in/out 產(chǎn)生敲擊的兩個關(guān)鍵條件：
  •  驅(qū)動扭矩的反轉(zhuǎn)，由負(fù)到正為Tip in; 由正到負(fù)為Tip out
  • 傳動系統(tǒng)存在足夠的間隙，即扭矩曲線的零扭矩段
 
Clunk的定義有很多，最被大家接受和最易理解的就是敲擊產(chǎn)生的高頻（300Hz-6000Hz）金屬噪音，敲擊音經(jīng)路徑傳遞到車內(nèi)形成不安全感的異響。
以齒輪傳遞為例，我們用三個模型對Tip in clunk產(chǎn)生的過程加以說明，即扭矩模型，以后我們會多次談到這個模型，它是clunk分析的基礎(chǔ)；齒輪間隙及敲擊模型，以齒側(cè)隙為例表征了齒輪間隙的產(chǎn)生和敲擊點；最重要的是彈性系統(tǒng)模型，它是產(chǎn)生clunk及shuffle的核心內(nèi)涵。觀察這三個模型，可以把clunk的產(chǎn)生過程分為三個階段：
 
01、彈性釋放 - 扭矩控制
a) 踩下油門踏板開始后，系統(tǒng)根據(jù)需求對扭矩進(jìn)行控制，實際扭矩開始減小，并逐漸接近零點
b) 標(biāo)志為脫離接觸
c) 傳動系統(tǒng)中，系統(tǒng)存儲著大量的彈性勢能，該勢能與外部扭矩的大小成正比。負(fù)扭矩減小過程，也是存儲在系統(tǒng)中的彈性勢能釋放的過程，釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為部件的動能，使傳動部件運動有加速的趨勢。彈性勢能釋放的速度與施加的扭矩，轉(zhuǎn)動慣量，以及軸系的扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)。約束扭矩變化的斜率大，負(fù)扭矩減小得快，彈性勢能釋放得快，部件轉(zhuǎn)化成為動能的能量就高。
 
齒輪傳遞中的clunk產(chǎn)生的過程
 
02、間隙消除-敲擊
a) 扭矩處于零線上，嚴(yán)格地說是有微小斜率的。
b) 齒輪互不接觸，接觸是此階段的終點也是關(guān)鍵點
c) 即使在外部扭矩為零的情況下，受到系統(tǒng)彈性的作用，主動件(A齒)仍會加速通過間隙區(qū)域，速度差的大小與相關(guān)的扭轉(zhuǎn)剛度，主被動件的慣量以及間隙大小相關(guān)。間隙過大會導(dǎo)致加速時間長，敲擊時的速度差增大。Clunk是金屬敲擊音，敲擊有時意味著撞上后會反彈，然后再撞擊，使敲擊持續(xù)一段時間，但這種現(xiàn)象取決于施加的扭矩，當(dāng)施加的扭矩大于回彈的扭矩則反彈不會產(chǎn)生。當(dāng)扭矩真正建立起來后，很難再感受到敲擊音了。

03、彈性建立
a) 在兩齒輪上建立新的扭矩
b) 兩齒輪接觸后傳遞扭矩
沖擊后，隨著扭矩的增加，外部扭矩和部件運動能量會再次轉(zhuǎn)化為新的彈性勢能和驅(qū)動力矩。此時當(dāng)外部扭矩足夠大，足夠快時，相當(dāng)于對扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的脈沖激勵，會激勵扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的主要模態(tài)起來，常見是系統(tǒng)一階扭振頻率。如果不加控制，系統(tǒng)的彈性吸收和釋放能量時，會產(chǎn)生Shuffle ，在惡劣的狀態(tài)下，外部驅(qū)動甚至被拉到零扭以下，產(chǎn)生由shuffle引起的clunk。緩慢的扭矩上升斜率可以改善shuffle，但需要平衡駕駛性的感受，最佳的解決方案是主動的扭矩控制
 
當(dāng)兩對或多對齒輪嚙合時，彈性釋放-控制階段在間隙消除之前，而間隙的消除就像多米諾骨牌一樣次第進(jìn)行，間隙消除，敲擊，間隙消除，敲擊?？梢钥吹?，敲擊都是在扭矩零點線上產(chǎn)生的。隨時間隙的消除，主動端的轉(zhuǎn)動慣量不斷增加，最后的一個敲擊也是主動端轉(zhuǎn)動慣量最大的一個敲擊，盡管敲擊的結(jié)果與多種因素有關(guān)，最后一個敲擊能量最高也是比較常見的，對于車輛傳動系統(tǒng)來說，這個點通常是傳動軸與車輪的連接花鍵位置，因此需要特別關(guān)注。間隙消除之后就是整個傳動系統(tǒng)扭矩建立的第三階段。
下圖為clunk產(chǎn)生的實測數(shù)據(jù)，從中可以清晰地觀察到上述三個過程，在彈性釋放階段，扭矩為負(fù)值，兩個齒輪轉(zhuǎn)速增加，在接近扭矩零線的位置，兩齒輪轉(zhuǎn)速分離產(chǎn)生速度差，在重新接觸時產(chǎn)生敲擊，所有敲擊均在扭矩零線上產(chǎn)生的。當(dāng)間隙消除后，扭矩增大，兩齒輪轉(zhuǎn)速下降，能量部分轉(zhuǎn)化為彈性勢能，并導(dǎo)致扭矩的下降。
 
clunk產(chǎn)生的實測數(shù)據(jù)
基于上述機理分析，有如下結(jié)論：
  • 進(jìn)入間隙消除階段前的扭矩控制是影響整個clunk的關(guān)鍵，
  • 間隙的消除和敲擊在傳動系統(tǒng)中是次弟產(chǎn)生的，從整體來看，敲擊均產(chǎn)生在零扭矩階段
  • 扭矩的建立是影響到shuffle的關(guān)鍵
接下來的問題是需要判斷，是不是所有振動都會在車內(nèi)產(chǎn)生clunk的噪聲，如果是怎么區(qū)分，如果不是，怎么判斷哪個是最關(guān)鍵的。
 
 
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