某型汽车变速器Clunk问题分析及优化

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-09-29 08:31 热度：

摘 要：摘要针对某型汽车出现的Clunk问题，进行了Clunk机理研究、试验测试及仿真分析。在了解Clunk产生过程的基础上，从信号的角度对Clunk问题机理进行了分析。通过设计整车试验，对Clunk信号

　　摘要针对某型汽车出现的Clunk问题，进行了Clunk机理研究、试验测试及仿真分析。在了解Clunk产生过程的基础上，从信号的角度对Clunk问题机理进行了分析。通过设计整车试验，对Clunk信号的时域及频域特征进行研究，并且定位出试验车Clunk的声源位置。基于AMESim软件搭建了变速器Clunk分析模型，探究了Clunk的影响因素，提出了试验车Clunk问题的优化措施。优化结果表明，通过减缓转矩变化率、减小系统间隙、降低负载惯量的方式，能够明显改善试验车Clunk问题。

　　关键词变速器Clunk试验测试仿真分析优化

　　0引言

　　变速器噪声是汽车传动系统噪声的主要来源之一，常见的变速器噪声可以分为3类：啸叫噪声、敲击噪声、Clunk噪声。Clunk为一个英文拟声词，在现有的文献中还被译作Clonk[1]、瞬态冲击[2]或者撞击噪声[3]1067，其含义为：当传动系统的驱动转矩或负载突然发生变化甚至反向时，由于变速器包含的齿轮副、花键连接副等传动部件内部不可避免地存在一定间隙[4]，传动部件之间会发生短暂碰撞，往往表现为一种金属撞击声，并伴有较为明显的振动感受。变速器Clunk噪声在实际车辆测试过程中较为常见，由于此类问题成因复杂且人们对其认识不够充分，是当前汽车振动噪声研究的难点之一。

　　国内外学者对于Clunk问题进行了一定的研究，目前主要通过试验分析以及CAE分析的方法，研究其产生机理、影响因素以及评估指标等。Krenz[5]阐述了Clunk的响应过程，分析认为Clunk与发动机转矩、传动系统间隙以及传动系统依从性有关。Furlich等[6]建立了传动系统关键部件的集中质量模型，分析了非线性离合器以及间隙对Clunk的影响。Galvagno等[7]通过搭建双离合自动变速器模型进行Clunk问题仿真，得到了施加在变速器轴承上的力，并基于变速器壳体频率响应函数，计算得到壳体上的振动加速度大小，从而用于评估Clunk的严重程度。张志军等[3]1068-1071建立了传动系统撞击分析模型，确定了齿轮副侧隙、从动齿轮惯量、半轴刚度、挠性万向节与冲击力剂量值的关系。袁振松等[8]通过缩小间隙以及更换油脂的方法降低了Clunk响应，但从标定策略和传递路径方面解决Clunk问题的效果并不理想。综上所述，已有文献均是从描述Clunk响应过程对Clunk机理进行研究的，并且所建立的模型中均使用单一质量表示传动系统内的元件，模型不够精细。

　　本文中针对某型汽车存在的Clunk问题，从信号分析角度对Clunk的机理进行了研究。通过试验研究Clunk的信号特征并识别Clunk的产生位置，基于AMESim软件建立了详细的变速器集中质量模型，分析Clunk的影响因素，并最终对试验车进行了优化。

　　1基于信号分析的Clunk机理研究

　　在传动系内部齿轮副、花键连接副等动力传递机构中，由于制造误差、安装误差、润滑需要、使用磨损等原因，不可避免地存在一定间隙，当汽车传递的转矩或负载发生突变时，传动系统内部间隙快速闭合，产生令人反感的振动和噪声，即Clunk现象，严重时还会引起整车的晃动。当汽车处于踩油门(Tip-in)、收油门(Tip-out)、离合器快速结合、坡道起步等工况时，都有可能产生转矩或负载的突变。

　　2基于试验分析的Clunk特征研究及声源定位

　　由于传动系统内部元件众多，Clunk产生原因复杂、根源难以判断，需要以试验的手段分析Clunk的信号特征，并且进行声源定位，找到问题的根源所在。本文中的研究对象为一辆搭载6速手动变速器的前置后驱汽车，该车在Tip-in/Tip-out工况下产生明显的Clunk现象。

　　整车试验在道路试验场内进行，将振动加速度传感器粘贴在悬置主动侧、悬置被动侧、变速器壳体、主减速器壳体等处;将麦克风布置在变速器近场和主减速器近场;磁电传感器监测变速器输入轴、中间轴、输出轴、传动轴盘、主减速器轮齿转速;光电传感器测量传动轴转速;发动机转速传感器夹装在发动机点火线圈上采集发动机转速，CAN总线记录发动机的转矩及电流信号。其中，磁电传感器是利用电磁感应原理，将输入的运动速度转换成线圈中的感应电势输出，测量方法为在壳体上打孔，利用轮齿切割磁感线直接测量，使用磁电传感器测量变速器轴转速如图1所示。光电传感器是将光信号转换成电信号输出，测量方法为码带围绕在轴上，利用码带的反射，光电传感器直接测量转速，使用光电传感器测量传动轴转速如图2所示。试验车传动系统结构及试验传感器布置如图3所示。驾驶员驾驶试验车分别挂入1~6挡位保持匀速行驶，之后踩油门加速，收油门滑行，产生了Clunk噪声，同时，试验员采集试验数据。

　　2.1Clunk信号时域特征

　　对试验结果进行时域分析，提取各噪声、振动、发动机转矩以及发动机转速信号，如图4所示，各传感器转速信号如图5所示。Clunk现象的产生会导致各转速产生一定的波动，转速的波动和麦克风收集的声音结合，能够更好地确定Clunk现象是否发生。通过声音回放，在3.08s和5.88s时刻发生了两次明显、完整的Clunk现象，同时，传动部件的转速产生了相应的波动。基于该试验结果分析Clunk时域信号可知，当转矩由一个正值突然减小至零值再到负值的过程中发生了Clunk现象，噪声和振动信号会出现不同程度的幅值突变，然后呈阻尼式衰减至平稳状态，随后转速信号也因为传动系统内部件的撞击发生波动。

　　2.2Clunk声源位置识别

　　传动系统在悬置、花键连接副、变速器齿轮副、万向节、主减速器齿轮副等多处都可能存在间隙，而这些间隙位置即潜在声源的位置。基于整车试验结果分析可知：①通过回放麦克风声音，变速器近场噪声中金属撞击声比主减速器近场噪声中金属撞击声更加明显;②比较各位置振动信号，变速器壳体处出现了明显的振动加速度突变，而主减速器壳体和其他测点在发生撞击时幅值突变较小;③变速器近场噪声中Clunk信号比主减速器近场噪声中Clunk信号提前了约0.01s，而该试验车轴距约为2.72m，Clunk信号提前的时间刚好为声音从前轴传到后轴所用的时间。通过分析上述声音振动信号大小以及时间关系，可以将该试验车Clunk发生位置定位在汽车变速器处。

　　2.3Clunk信号时频特征

　　基于信号时频分析理论，对变速器近场噪声信号采用短时傅里叶变换进行时频分析，可以同时观察信号时域以及频域的特征。设置分析帧长0.1s，分辨率10Hz，谱线数10240条，间隔0.1s，噪声窗函数选择汉明窗，声音A计权，进行计算可以得到如图6所示变速器近场噪声的时频谱。图6中，横坐标表示声音信号频率，纵坐标表示时间历程，颜色深浅表示幅值大小。由图6中分析可知：①信号有多条高亮竖直线条，说明在全时间段内声音包含近乎恒定频率的特征，这些是由发动机和变速器等在匀速工况下的定频啸叫造成的;②对比噪声时域信号可知，在0.95s、3.08s、5.88s时刻产生了3次Clunk现象，Clunk在时频谱中呈现水平高亮线条的特征;③Clunk持续时间短，并且频率范围广，主要集中在300~6000Hz。图6整车测试变速器噪声的时频谱图Fig.6Timespectrumoftransmissionnoiseforvehicletest

　　3基于AMESIM仿真的Clunk影响因素分析

　　3.1Clunk分析模型搭建

　　基于整车试验分析，试验车Clunk声源定位在汽车变速器处，但是由于无法将传感器粘贴在变速器旋转的齿轮上开展变速器试验研究，故采用CAE分析的方法对该变速器Clunk进行仿真分析。

　　对该中间轴式6速变速器进行结构分析，其输入轴与输出轴以滚针轴承同轴接触，其中，5挡为直接档，输入轴与输出轴通过5挡和6挡的同步器传递动力，变速器各挡位齿轮如图7所示，变速器结构简图如图8所示。

　　本文中基于AMESim采用集中质量法建立变速器Clunk分析模型[9-10]，其思想是将变速器中连续分布的物理元件等效成由集中惯量、刚度和阻尼表示的参数元件。将齿轮的惯量作为一个集中质量块，将变速器传动轴的惯量等效至轴的两端与齿轮的转动惯量合并，传动轴等效为具有阻尼和刚度的弹簧，同时在齿轮间添加啮合刚度、阻尼以及非线性因素，所建立的变速器Clunk分析模型如图9所示。其中，变速器输入端使用一维插值元件模拟传递至变速器的转矩，变速器输出端使用转动负载元件模拟汽车施加在变速器输出端的惯量。通过理论计算获取轴和齿轮的等效转动惯量、扭转刚度;通过设置一维数组输入转矩信号、同步器换挡信号;根据实际测量值输入齿轮侧隙值;根据经验值估计啮合刚度、阻尼、黏性摩擦因数等参数;而齿轮基本参数直接由厂家提供。

　　3.2仿真观察指标

　　在模型搭建完成后，设置如图10所示仿真工况的转矩信号，以模拟Tip-in、Tip-out工况下的变速器输入的转矩，开始仿真分析。本文中以发生碰撞的齿轮上的啮合力的大小或波动幅度为指标，间接地评价不同工况下Clunk的剧烈程度。为便于清晰地展示仿真结果，以1挡仿真为例，观察常啮合齿轮副的受力及运行情况。

　　为了了解仿真过程中常啮合齿轮副的碰撞情况，可以计算常啮合主动齿轮的线速度与常啮合被动齿轮的线速度的差值，当速度差从正到负或从负到正的过程中，速度每过一次零点表示常啮合齿轮副发生了一次碰撞。所得常啮合齿轮副的速度差值和啮合力大小如图11所示。可以看出，在仿真前半段0~2.5s内，齿轮啮合力由0变为负值时刻，齿轮开始发生碰撞，速度差多次经过零点表示常啮合齿轮发生了多次碰撞，并且在第2s附近时啮合齿轮的碰撞啮合力达到最大值，即在转矩由下降突然转变为恒定值时啮合力最大;同样，在仿真后半段2.5~5s内，常啮合齿轮发生了多次碰撞，并在转矩由上升突然转变为恒定值时啮合力最大。

　　3.3Clunk影响因素分析

　　本文中从输入转矩、齿侧间隙、传动负载、传动轴刚度、齿轮参数等方面出发，通过控制变量法探究影响Clunk剧烈程度的因素。

　　3.3.1输入转矩对Clunk的影响

　　如图12所示，设置不同的输入转矩曲线，观察输出常啮合齿轮处的啮合力大小，结果如图13所示。

　　对比转矩曲线2、转矩曲线1、转矩曲线3可知，其输入转矩均从100N∙m开始分别在0.25s、1s、2s内下降至-20N∙m，即转矩变化率从大到小依次为：转矩曲线2、转矩曲线1、转矩曲线3，其到达-20N∙m时的啮合力波动幅度即Clunk的剧烈程度由大到小依次为：啮合力曲线2、啮合力曲线1、啮合力曲线3。

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　　对比转矩曲线1、转矩曲线4、转矩曲线5可知，其输入转矩从100N∙m开始以相同的速率分别下降至-20N∙m、10N∙m、40N∙m，其啮合力波动幅度均为40N∙m左右，故说明这3次Clunk剧烈程度一致。

　　综上所述，输入转矩的变化速率对Clunk有着很大的影响，转矩的变化速率越快，Clunk现象越剧烈;但是，转矩变化的大小以及转矩是否反向对Clunk的剧烈程度没有影响。

　　3.3.2齿侧间隙对Clunk的影响

　　以转矩曲线1的转矩进行输入，改变常啮合齿轮副的间隙值，进行仿真分析。图14所示为不同齿轮间隙下常啮合齿轮啮合力结果。其中，啮合力曲线1、啮合力曲线2、啮合力曲线3、啮合力曲线4分别对应0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm的间隙值。由侧隙仿真结果可知，间隙的大小对于Clunk现象有一定影响：间隙越大，齿轮跨越间隙的啮合力越大;但间隙对后续转矩转折点的啮合力影响不大。

　　3.3.3传动负载对Clunk的影响保持其他参数不变，改变传动负载的大小进行仿真。图15所示为不同传动负载下常啮合齿轮啮合力结果图，啮合力曲线1、啮合力曲线2、啮合力曲线3分别对应的外部负载的转动惯量依次为2×106kg∙mm2、1×106kg∙mm2、5×105kg∙mm2。由负载仿真结果可知，传动负载的惯量越大，Clunk现象越剧烈。

　　3.3.4传动轴刚度对Clunk的影响

　　保持其他参数不变，改变传动轴刚度的大小进行仿真。图16所示为不同传动轴刚度下常啮合齿轮啮合力结果图，啮合力曲线1、啮合力曲线2、啮合力曲线3分别对应的传动轴刚度依次为原刚度、0.8倍原刚度、1.2倍原刚度。由刚度仿真可知，3条曲线在跨越间隙处和转矩转折处仅有较小不同，说明传动轴刚度对Clunk的剧烈程度影响较小。

　　3.3.5齿轮参数对Clunk的影响

　　变速器齿轮多采用斜齿圆柱齿轮。斜齿圆柱齿轮的螺旋角越大，齿轮重合度提高，传动越平稳，但是轴向力也越大。在分析模型中改变齿轮螺旋角的大小，齿轮啮合力并未发生变化，说明改变齿轮的螺旋角对于Clunk的剧烈程度并没有直接影响。

　　同样，在分析模型中改变齿轮压力角的大小，齿轮啮合力并未发生变化，说明改变齿轮的压力角对于Clunk的剧烈程度同样没有直接影响。——论文作者：刘芳1,2许书超1,2贾晨光3张乐乐1,2韩杰1,2

文章名称：某型汽车变速器Clunk问题分析及优化

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