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车辆传动系统Tip in/out clunk问题分析

2020-06-13 00:02:09·  来源：MStarsEngineeringService  
　
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
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
 
下图是典型的前驱车型Tip in / out的测试曲线，(a)为Tip in的放大图，(b)为Tip out放大图。曲线中包括了半轴扭矩，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。
 
典型的Tip in / out的测试曲线
 
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
 
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。
以齿轮传递为例，我们用三个模型对Tip in clunk产生的过程加以说明，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：
 
01、弹性释放 - 扭矩控制
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。
 
齿轮传递中的clunk产生的过程
 
02、间隙消除-敲击
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。

03、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
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
 
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。
下图为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。
 
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。
 
 
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