某客車傳動系加/減油門Clunk問題分析與解決

馬虎森，陳曉利

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西西安 710119)

0 引言

汽車傳動系統是由發動機、離合器、變速器、傳動軸、后橋等組成的復雜非線性彈性系統，間隙不可避免，其扭轉自由度振動是影響車輛NVH的重要方面。特別急加/減油門時，驅動扭矩短時間內驟升/驟降，間隙的存在使得系統產生很大扭矩沖擊，引起系統低頻扭轉振動，在齒輪嚙合副、花鍵接觸副之間出現撞擊，產生令人不適的噪聲。這種加/減油門帶來的扭轉振動和沖擊的動力學問題歸結為“Clunk”的現象[1-2]。

A ROBERT[3]對車輛加/減油門時Clunk和Shuffle的現象進行相關測試和描述。H SHIOZAKI等[4]采用時域傳遞路徑方法分析了某乘用車加/減油門瞬態沖擊問題。李文禮[5]建立傳動系動態模擬試驗臺架對傳動系加減速進行了模擬測試。X H LU等[6]針對加/減油門瞬態沖擊問題建立簡化集中質量動力學仿真模型進行仿真分析。K PARK[7]介紹一種改善“Clunk”問題的ETC (Electronic Throttle Control)輸入波形控制策略。姜丹娜等[8]基于動力學仿真模型研究了間隙分布對加/減油門對駕駛性的規律。袁旺等人[9]建立了乘用車傳動系3擋集中參數扭振模型，研究表明小剛度離合器可以有效改善傳動系的瞬態性能。

諸多學者通過理論或者實驗對Tip-in/Tip-out瞬態工況性能進行了研究，但如何快速有效解決加/減油門瞬態工況下的“Clunk”問題存在很大困惑。首先進行整車加/減油門Clunk問題扭振測試，分析問題現象；進而基于AMESim軟件建立了某客車傳動系系統仿真模型，考慮系統非線性的影響，以3擋為例研究發動機濾波和間隙對加/減油門“Clunk”現象的影響，并進行實車驗證及測試。對于傳動系匹配和整車NVH性能提升具有重要指導意義。

1 整車Tip-in/Tip-out轉速測試

某客車12 m客車匹配6速手動變速器在整車瞬態工況主觀評價發現，傳動系在急減油門時各擋位出現不同程度撞擊聲，尤其是松油門“Clunk”問題，嚴重影響駕駛的平順性和乘坐的舒適性。

1.1 傳感器布置

在發動機飛輪殼觀察窗口蓋處安裝霍爾轉速傳感器測量發動機輸出轉速，在變速器大殼(中間軸超速擋齒輪對應位置)安裝霍爾轉速傳感器測量變速器中間軸轉速，在變速器后端法蘭盤安裝激光式轉速傳感器測量后橋輸入端轉速。具體位置如圖1所示。

圖1 轉速傳感器安裝位置

1.2 測試結果分析

圖2為3擋傳動系發動機飛輪端、變速器一軸端和變速器法蘭端轉速信號(變速器中間軸和變速器法蘭端轉速按速比進行了換算)。

圖2 3擋傳動系各位置轉速時域測試信號

在加/減油門的時候，系統轉速出現幾赫茲的低頻大幅值波動；且在波動過程中變速器一軸端和變速器法蘭端轉速與發動機轉速存在較大幅值的轉速差。在車內主觀感受急加速時對應出現一次撞擊聲，急減速時對應出現2～3次的撞擊聲。

2 傳動系統仿真模型建立

基于AMESim軟件進行建模仿真分析，建模遵循集中參數建模原則，機械系統建模包括慣量元件、容性元件和阻性元件。仿真建模系統進行了合理的簡化，以達到建模和計算方便的目的。

2.1 傳動系統仿真建模

建立的某客車傳動系統扭振仿真分析模型，如圖3所示。發動機按給定扭矩map的方式模擬。離合器從動盤按實際測試特性曲線模擬。變速器根據實際結構在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。車輪等效為一個轉動慣量。車身質量按經驗公式等效為平動轉動慣量。行駛阻力按經驗公式給定。

圖3 傳動系扭振仿真分析模型

2.2 主要參數獲取

(1)發動機扭矩map：發動機扭矩map是通過靜態臺架試驗獲取的，如圖4所示。

圖4 發動機扭矩map圖

(2)離合器從動盤實測特性曲線：為了更好模擬離合器從動盤對的特性，在性能檢測臺測試獲得了離合器從動盤實測特性曲線，如圖5所示。

圖5 離合器從動盤實測特性曲線

(3)車身等效慣量及阻力：車身質量按經驗公式等效為平動轉動慣量，同時需考慮輪胎滾動阻力力矩和空氣阻力等效阻力力矩[9]。

2.3 仿真分析結果

圖6—圖7為某客車傳動系統3擋加/減油門仿真結果。圖6給出了油門開度的發動機、變速器一軸和后橋輸入端扭矩仿真分析結果，由圖可知在加/減油門過程中系統扭矩存在大幅值波動，由于傳動間隙的存在，在主被動轉換過程中存在較大幅值的扭矩沖擊。圖7對應給出了發動機輸出、變速器一軸和后橋輸入端轉速(已按速比換算)仿真信號，同樣在加/減油門的時候，系統轉速出現幾赫茲的低頻大幅值波動；且在波動過程中變速器一軸和變速器法蘭端轉速與發動機轉速存在較大幅值的轉速差，后橋輸入端相對轉速差幅值最大。該轉速仿真分析結果與實驗測試結果趨勢一致，驗證了仿真模型的有效性。

圖6 扭矩仿真結果

圖7 轉速仿真分析結果

3 不同影響因素仿真分析

3.1 不同發動機濾波時間的仿真分析結果

發動機濾波時間影響加減油門扭矩上升/下降時間，圖8為仿真不同濾波時間油門開度曲線示意圖。圖9為不同濾波時間變速器一軸扭矩仿真結果，由圖可知隨著濾波時間的增加，加減油門時扭矩波動幅值減小，在扭矩正負變換過程中產生的扭矩沖擊也明顯降低。

圖8 不同濾波時間油門開度曲線

圖9 不同濾波時間變速器一軸扭矩仿真結果

圖10為不同濾波時間變速器一軸轉速仿真結果，由圖可知隨著濾波時間的增加，踩油門/松油門時變速器一軸轉速波動幅值明顯減小，且松油門時轉速差幅值也減小，存在1處較大幅值的轉速差。

圖10 不同濾波時間下的變速器一軸轉速仿真結果

3.2 不同傳動間隙仿真分析結果

為了研究傳動系統齒輪間隙的影響，分別仿真分析變速器嚙合齒輪間隙、后橋主減間隙對傳動系Clunk問題的影響，圖11、12為不同間隙下變速器一軸轉速仿真分析結果，由圖可知隨著齒輪間隙的變化，變速器一軸轉速出現明顯變化。

圖11 不同嚙合齒輪側隙下變速器一軸轉速變化曲線

圖12 不同后橋主減側隙下變速器一軸轉速變化曲線

4 有效方案實車驗證

通過前面仿真分析結果可知，發動機濾波為改善傳動系統Clunk問題的有效方案，調整傳動間隙幫助不大。故客車進行了發動機0.25 s和0.5 s濾波，達到預期效果，再次驗證了仿真結果正確性。關于傳動間隙在售后市場嘗試驗證，均無明顯改善效果。

圖13給出了不同發動機濾波時間變速器一軸和發動機飛輪端轉速測試結果，可以看出發動機增加0.25 s和0.5 s濾波，變速器一軸轉速波動和轉速差均明顯降低。0.25 s濾波、0.5 s濾波加油門時轉速波動幅值分別降低約15%和24%；松油門時轉速波動分別降低約35%和73%，對應轉速差降低約40%、74%，且發動機增加0.25 s濾波還存在一下輕微敲擊，主觀評價可以接受，0.5 s濾波無敲擊。

圖13 不同發動機濾波時間變速器一軸和發動機飛輪端轉速測試結果(3擋)

5 結束語

通過整車實驗測試，分析了加/減油門時“Clunk”問題系統轉速的變化，并建立傳動系統AMESim仿真分析模型，結合測試結果驗證了仿真模型的正確性，分析了發動機濾波時間、齒輪間隙對傳動系統加/減油門Clunk問題的影響，并進行實驗驗證。研究表明，增加發動機濾波可有效改善或消除加/減油門時“Clunk”問題，改變傳動系間隙對“Clunk”問題的解決幫助不大。