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离合器接合过程的Judder问题诊断（二）

2022-02-24 18:40:59·  来源：NVH老枪  
　
在上一篇文章中我们已经通过对试验数据的分析确定了离合器接合过程中产生Judder问题的激励源为发动机1阶激励，结合对产品一致性管控及加工工艺的理解，判定该激
在上一篇文章中我们已经通过对试验数据的分析确定了离合器接合过程中产生Judder问题的激励源为发动机1阶激励，结合对产品一致性管控及加工工艺的理解，判定该激励的根源来自于动力总成的装配误差。本篇文章将继续该问题的诊断与分析，对传递路径中的传动系统进行深入研究。
——3#老枪
传递路径分析——传动系统
1. 基于1D模型的传动系统扭转模态分析
在离合器接合过程中，传动系统简图如图 1所示：

图1 传动系统简图
通过上图我们可以清晰的看出：
  1. 在离合器未开始接合时，传动系统中不包含飞轮（发动机侧）的惯量；
  2. 而离合器开始接合时即开始出现Judder现象，此时飞轮与离合器摩擦盘之间处于滑动摩擦状态，飞轮惯量并未完全引入传动系统；
  3. 只有当离合器完全锁止状态下，飞轮侧惯量才完全引入传动系统中。
因此，我们需要先分析传动系统在两种状态的模态特性：1）当离合器断开时，以变速箱输入轴（包含离合器摩擦盘惯量）为开端的传动系统模态；2）离合器完全接合后，以发动机飞轮为开端的传动系统模态。进而，根据以上分析结果，去探究离合器接合过程中传动系统模态是否发生变化。
由于离合器断开时，传动系统没有扭矩输入，无法通过扭振工况试验去获取系统的扭转模态频率，所以我们根据系统的拓扑关系，创建出简易的1D系统模型，尝试基于CAE分析手段，确定在离合器断开及完全接合两种状态下的传动系统模态特性。所建立的1D模型如图2所示。

图2 传动系统1D仿真模型
基于1D系统仿真模型，对离合器未接合（飞轮惯量未引入，禁用离合器环节）及离合器完全接合（飞轮惯量完全引入）两种状态进行扭转模态分析，主要查看第一阶扭转模态频率，结果如下：
传动系统状态
第一阶扭转模态频率
离合器未接合状态
12.5Hz
离合器完全接合状态
2.9Hz
从中我们可以发现：在离合器未接合状态下，传动系统扭转模态频率为12.5Hz，正好对应Judder问题工况的发动机转速750rpm（即发动机转速1阶激励频率），因此造成了传动系统的共振问题。
但是，我们还需要考虑：在离合器接合的过程中（开始接合到完全锁止状态之前），传动系统的扭转模态频率是否发生变化。这个问题我们必须要分析清楚，因为如果在接合过程中扭转固有频率发生变化，就意味着系统共振现象在结合过程中应逐渐减弱，而实际上在整个结合过程中故障现象都比较明显，那么就需要继续排查是否在整个传递路径中还存在其他子系统的问题。
2. 离合器接合过程中的传动系统扭转模态
为了明确这个问题，我们利用试验与仿真分析相互验证的方式进行分析。首先创建一个简单的系统模型，目的是研究接合过程中的系统模态的变化情况。波动扭矩输入由DC值+AC值构成的，模拟发动机输出的激励扭矩，其中DC值为10Nm，AC值为20Hz带宽的伪随机信号；离合器下游直接用一个大惯量代替，以省略复杂的下游传动系统结构；分析工况为：在0~5s的时间段内，离合器处于开合状态，从5s开始，离合器进入滑动摩擦状态，开始接合。具体模型如图3所示：

图3 离合器接合状态简易研究模型
根据上述模型进行仿真分析，其分析结果如图 4所示：
图4 基于简易1D模型的仿真分析结果
仿真分析结果总结如下：
1. 在起始的5s时间段内，离合器处于打开状态，发动机转速呈现上升趋势主要是波动扭矩作用的结果，由于输入扭矩较小，所以短时间内并未使其转速达到怠速转速，但不影响分析结果，该简易模型重点在于研究离合器接合前后的传动系统扭转模态变化。（由于模型创建过程中旋转方向的定义，红色曲线值为负，）；
2. 中间的3.8s时间段内，离合器处于逐渐接合状态，该过程中我们发现传动系统（绿色曲线）的角加速度波动形式为清晰的12Hz振动，所以在离合器逐渐接合过程中传动系统的扭转模态并未发生变化，即与断开状态一致。
3. 当离合器完全接合后，发动机转速与变速箱转速相等，此时整个系统的扭转模态在完全接合的刹那（8.8s时刻）突然发生变化，呈现为清晰的5Hz振动情况。
所以：基于以上的分析结果我们认为在离合器接合过程中，传动系统扭转模态未发生变化与其开启时模态频率保持一致，当完全接合的刹那整个系统由于突然引入飞轮侧惯量及离合器弹簧环节，其模态频率突然发生变化。
接下来我们需要对试验数据进行分析，看看是否能够得到与仿真分析相同的结论。大家应该还记得下图：基础试验数据分析过程中的座椅X方向振动的ColorMap。之前我们通过分析高亮区域①及区域②，明确了Judder问题的主要频率。现在我们需要关注高亮区域③和高亮区域④。其中区域③所呈现出的逐渐变频的特性，是否反映的是传动系统扭转模态频率的变化呢？其与区域④又是否存在关联呢？
图5 座椅导轨X方向振动ColorMap
为了研究清楚上述问题，我们需要对该ColorMap进行简易数据处理及辅助线的添加。具体思路为：由于区域③呈现变频特性，同时频率逐渐减小，而在离合接合过程中发动机转速与变速箱输入轴转速差同样呈现减小的趋势。所以更改瀑布图Z方向坐标轴，将时间历程转变为飞轮端转速与变数箱输入轴转速之差并添加1阶阶次线并做阶次切片处理，如图6左图所示（由于变速箱输入轴信号不好，故利用变速箱输出轴转速乘以1档传动比进行代替，但变速箱输出轴转速在离合器完全接合后存在突变异常，故接合后的转速不可信）；将该阶次切片拖入右图，查看辅助线趋势（图中黑色曲线）可以发现黑色阶次辅助线与区域③高亮线重合证明该振动频率变化为飞轮端与变速箱输入轴相对转速的1阶响应，并非扭振模态变化趋势。与区域④高亮区域未连接关联。
图6 基于座椅导轨X方向振动的数据处理结果
那如何理解区域③为飞轮端与变速箱输入轴相对转速的1阶响应呢？通过观察图5可以发现：以发动机一阶激励响应为中心频率，图中还存在与区域③对称的边频响应，整体呈现“V”型特征。该特征与典型的信号调制问题特征相符。所以区域③实际上是变速箱输入轴转速所对应的转频对发动机1阶振动产生调制，过程之初变速箱输入轴转速趋近于零（即调制频率趋近于0Hz），随着离合器的接合，变数箱输入轴转速逐渐升高，调制频率也随之升高呈现相对于中心频率的边频逐渐增大的特征（以发动机1阶响应为中心频率，呈现“V”型特征）。
又因为对于纵置发动机、后驱非独立悬架系统来说，后桥鼻端振动情况与传动系统扭转模态高度相关。因此为了更为直观验证我们的结论，可以基于同样的数据处理方法对后桥鼻端振动进行分析。其分析结果如图7所示：
图7 后桥鼻端振动数据处理结果
同样将左图中飞轮与变速箱输入轴转速差的1阶切片拖入右图，观察辅助线趋势：阶次辅助线（黑色）与区域③高亮线重合，证明该区域振动频率变化的确对应飞轮与变速箱输入轴相对转速的1阶成分，即变速箱输入轴转速所对应的转频对发动机1阶激励产生调制所引起的振动响应，而并非是扭转模态频率的变化；在离合器完成接合后，后桥鼻端振动同样出现3Hz左右高亮振动，对应离合器1档完全接合后的扭转模态频率。同样说明：扭转模态频率在离合器的接合过程中未发生明显变化，而当离合器锁止后立即产生突变。
3. 小结：
通过1D简易仿真模型分析与试验结果的相互验证，我们得到如下结论：
1. 离合器开启状态下，传动系统扭转模态频率为12.5Hz，离合器完全接合后，该频率由于飞轮端惯量的引入立即下降至约3Hz左右；
2. 离合器接合过程中（即Judder现象的问题工况中），传动系统的扭转模态频率并未发生变化；而在离合器完全锁止的刹那，系统模态频率产生突变，由12.5Hz突然下降至3Hz；
3. 传动系统扭转模态与发动机转速1阶激励频率发生耦合，引起整个传动系统的共振，通过后悬架系统耦合产成车身的X方向的异常振动。
经过上述分析，已经锁定了问题产生的根源。下面，我们还需进一步排查车架、车身等其他传递路径环节，看是否存在其他放大的现象。相关内容将在之后第三篇文章中继续为大家呈现，敬请期待。
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