车辆传动系统Tip in/out clunk问题分析



在Tip in/out工况下的Clunk 和Shuffle是车辆对动力传动系统中扭矩突然反转的瞬态响应,无论传统燃油车和新能源电动车,均是常见的NVH和驾驶性问题。在静态的扭矩反转的换档过程中,如D-R和R-D切换时,也会观察到clunk的现象,他们产生的机理和现象是类似的。把注意力放在在Tip in/out工况的Clunk 和Shuffle上具有普遍性的意义。
Tip in/out的操作有很大差别,包括了扭矩状态(均速的正扭矩,滑行的负扭矩),油门开度(6%到100%之间变化),持续时间(有小于1秒的非常短时Tip in,超过2秒的长时Tip in,以及连续短时Tip in),不同档位不同速度等多种因素。

低速负扭矩Tip in的问题严重程度以及Clunk和shuffle出现的频次都是最高的,我们对此作为主要研究对象。篇幅所限,我们会分多篇文章把Tip in/out clunk产生的机理,测试与分析,扭矩控制等内容进行详细分析与描述。
 
车辆Tip in/out clunk问题之一:产生机理
 
图1是典型前驱车型Tip in / out的测试曲线,图1a为Tip in的放大图,图1b为Tip out放大图。曲线中包括了半轴扭矩(蓝色曲线),油门位置,发动机转速,半轴转速和转向节振动几个典型的物理量,其中以高品质扭矩曲线为核心,它能反映系统扭矩在半轴上的表现,即控制的结果,同时表征了系统的非线性状态 - 间隙,这个零点也是高品质扭矩曲线的特征。只有通过扭矩曲线中可以观察Tip in/out 产生敲击的两个关键条件:

         ——  驱动扭矩的反转,由负到正为Tip in; 由正到负为Tip out
         ——  传动系统存在足够的间隙,即扭矩曲线的零扭矩段





图1   典型的Tip in / out的测试曲线



 
Clunk的定义有很多,最被大家接受和最易理解的就是敲击产生的高频(300Hz-6000Hz)金属噪音,敲击音经路径传递到车内形成不安全感的异响。

图2以齿轮传递为例,表征了Tip in clunk产生的过程,我们用三个模型加以说明,即扭矩模型,以后我们会多次谈到这个模型,它是clunk分析的基础;齿轮间隙及敲击模型,以齿侧隙为例表征了齿轮间隙的产生和敲击点;最重要的是弹性系统模型,它是产生clunk及shuffle的核心内涵。观察这三个模型,可以把clunk的产生过程分为三个阶段:


 
1.   弹性释放 - 扭矩控制阶段

    a)踩下油门踏板开始后,系统根据需求对扭矩进行控制,实际扭矩开始减小,并逐渐接近零点

    b)标志为脱离接触

    c)传动系统中,系统存储着大量的弹性势能,该势能与外部扭矩的大小成正比。负扭矩减小过程,也是存储在系统中的弹性势能释放的过程,释放出来的能量转化为部件的动能,使传动部件运动有加速的趋势。弹性势能释放的速度与施加的扭矩,转动惯量,以及轴系的扭转刚度有关。约束扭矩变化的斜率大,负扭矩减小得快,弹性势能释放得快,部件转化成为动能的能量就高。



图2   齿轮传递中的clunk产生的过程

 


2.    间隙消除-敲击阶段

    a)扭矩处于零线上,严格地说是有微小斜率的。

    b)齿轮互不接触,接触是此阶段的终点也是关键点

    c)即使在外部扭矩为零的情况下,受到系统弹性的作用,主动件(A齿)仍会加速通过间隙区域,速度差的大小与相关的扭转刚度,主被动件的惯量以及间隙大小相关。间隙过大会导致加速时间长,敲击时的速度差增大。Clunk是金属敲击音,敲击有时意味着撞上后会反弹,然后再撞击,使敲击持续一段时间,但这种现象取决于施加的扭矩,当施加的扭矩大于回弹的扭矩则反弹不会产生。当扭矩真正建立起来后,很难再感受到敲击音了。

3.    弹性建立

    a)在两齿轮上建立新的扭矩

    b)两齿轮接触后传递扭矩

    c)冲击后,随着扭矩的增加,外部扭矩和部件运动能量会再次转化为新的弹性势能和驱动力矩。此时当外部扭矩足够大,足够快时,相当于对扭转系统的脉冲激励,会激励扭转系统的主要模态起来,常见是系统一阶扭振频率。如果不加控制,系统的弹性吸收和释放能量时,会产生Shuffle ,在恶劣的状态下,外部驱动甚至被拉到零扭以下,产生由shuffle引起的clunk。缓慢的扭矩上升斜率可以改善shuffle,但需要平衡驾驶性的感受,最佳的解决方案是主动的扭矩控制。




图3   shuffle的产生

 


当两对或多对齿轮啮合时,弹性释放-控制阶段在间隙消除之前,而间隙的消除就像多米诺骨牌一样次第进行,间隙消除,敲击,间隙消除,敲击。可以看到,敲击都是在扭矩零点线上产生的。随时间隙的消除,主动端的转动惯量不断增加,最后的一个敲击也是主动端转动惯量最大的一个敲击,尽管敲击的结果与多种因素有关,最后一个敲击能量最高也是比较常见的,对于车辆传动系统来说,这个点通常是传动轴与车轮的连接花键位置,因此需要特别关注。间隙消除之后就是整个传动系统扭矩建立的第三阶段。
 
图4为clunk产生的实测数据,从中可以清晰地观察到上述三个过程,在弹性释放阶段,扭矩为负值,两个齿轮转速增加,在接近扭矩零线的位置,两齿轮转速分离产生速度差,在重新接触时产生敲击,所有敲击均在扭矩零线上产生的。当间隙消除后,扭矩增大,两齿轮转速下降,能量部分转化为弹性势能。并导致扭矩的下降。

 



图4   clunk产生的实测数据
 


基于上述机理分析,有如下结论:

    ·  进入间隙消除阶段前的扭矩控制是影响整个clunk的关键,
    ·  间隙的消除和敲击在传动系统中是次弟产生的,从整体来看,敲击均产生在零扭矩阶段
    ·  扭矩的建立是影响到shuffle的关键

  
接下来的问题是需要判断,是不是所有振动都会在车内产生clunk的噪声,如果是怎么区分,如果不是,怎么判断哪个是最关键的。
 
敬请期待下一期,clunk的测试与分析