傳動系統撞擊現象的分析與優化

梁博洋，陳達亮，王東

傳動系統撞擊現象的分析與優化

梁博洋，陳達亮，王東

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

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

傳動系統；撞擊；試驗；評價指標

1 引言

國外學者對于傳動系撞擊問題進行了一定的研究，而國內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行實驗和分析，闡述了撞擊的產生過程，指出發動機扭矩變化速率、傳動系統間隙及傳動系統剛度是影響撞擊嚴重程度的主要因素，并給出了幾種減小撞擊響應的優化措施；Luiz[3]對手動變速器換擋撞擊問題進行研究，從殼體振動加速度、聲壓級、扭轉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重程度。

本文針對一輛搭載兩擋減速器的后置后驅電動客車進行試驗測試與分析，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行研究，辨別發生撞擊的部位，以撞擊持續時間內的RMS值評價撞擊的劇烈程度，提出了易于實現的優化措施并再次進行了試驗驗證。

2 試驗設計

試驗樣車在某工況下產生撞擊響應，采用LMS Test.Lab軟件進行數據采集及分析。

2.1 傳動系結構分析與測點布置

傳動系統結構如圖1所示。圖中藍色圓形代表振動傳感器，橙色圓形代表麥克風傳感器，藍色矩形代表磁電傳感器，電機CAN總線記錄電機的轉矩、轉速及電流信號。

圖1 傳動系統結構及測點布置

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 試驗工況設置

3 結果與分析

3.1 撞擊現象描述與撞擊位置辨別

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

由圖2（a）可知，發生了兩次明顯、完整的撞擊現象：當電機轉矩由一個正值突然減小至零值附近時發生撞擊現象，噪聲和振動信號會出現不同程度的幅值突變，然后衰減至平穩狀態，電機轉速也因為傳動系統內部件的撞擊發生波動。

圖2 工況1測試信號

通過回放麥克風聲音，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；減速器殼體出現了明顯的振動加速度突變，而主減殼體、電機殼體未在發生撞擊時出現明顯的幅值突變；由圖2（b）各轉速測點結果進一步分析，在較大一次撞擊時刻5.96s的各轉速信號中，在輸入齒輪軸處轉速突變值最大，按照動力傳遞路徑呈現依次減小的變化規律，說明撞擊發生在電機減速器總成一側。

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嚴實實。

3.2 撞擊評價指標

在聲學理論基礎中，聲強與聲能密度及聲壓的關系為：

式中：I為聲強，D為聲能密度，c為聲音在介質中的傳播速度，ρ為介質的密度。

而穿過某一波振面的聲音能量大小與聲強之間的關系為：

由式（1）和式（2）綜合可得，對于某一確定聲場介質密度、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。故對于測試所采集到的聲音時域信號，可以以撞擊持續時間段內信號的均方根（RMS）值反映嚴重程度。經過對試驗數據的多次考量，將持續時間定為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，y為某一樣本點對應的縱坐標幅值大小。對于噪聲信號，y表示聲壓大小（單位為Pa）；對于振動信號，y表示加速度大小（單位為g）。

如圖3所示，相比噪聲信號，其抗干擾能力強且布置精確。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內的RMS值作為評價指標能夠正確反映撞擊的大小，且與噪聲主觀評價結果一致。后續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，當對汽車進行踩油門、收油門、起步、停車、換擋等操作時，傳動系統扭矩或負載發生變化，進而產生了撞擊現象，因此齒輪副側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 優化與驗證

本節對扭矩突變的速率進行優化，通過優化電機扭矩控制程序以及在萬向節處加裝彈性聯軸節的方法，分別在傳動系統的源頭及中間部分減小扭矩突變的速率，并進行試驗驗證。

4.1 優化電機扭矩控制程序

根據本次測試結果，設計了三種扭矩優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向振動對比結果如表4所示。經過優化電機輸出扭矩后持續時間內RMS值由6.56g分別降低至5.89g、5.42g、5.27g，說明降低電機輸出扭矩的變化速率能夠有效地優化撞擊問題。

圖4 電機輸出扭矩示意圖

表4 工況1電機扭矩優化對比

4.2 加裝彈性聯軸節

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

表5 工況1加裝彈性聯軸節對比

5 結論

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

（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一部分間隙，但是破壞了減速器結構造成一擋無法使用，不適用于實際優化撞擊問題。

（3）從降低傳動系統扭矩變化速率的角度出發，優化電機輸出扭矩以及加裝彈性聯軸節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.彈性聯軸器對車輛動力傳動系統扭振影響研究[J].農業裝備與車輛工程,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研究中心有限公司，研究方向為汽車傳動系統NVH性能提升、汽車BSR異響解決。