某皮卡起步过程颤振分析优化

李小亮，刘波

某皮卡起步过程颤振分析优化

李小亮1，刘波2

（1.格特拉克（江西）传动系统有限公司，江西 南昌 330013；2.江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330000）

某柴油发动机皮卡在1挡起步过程中，存在明显颤振（Judder），首先完成整车动力传动系统扭转振动、工作变型及振动响应等测试分析，而后确定Judder产生的根本原因，传递路径上主要影响系统部件，最终完成相应优化方案的验证。采用调整发动机转速以改变系统的激励频率，与整车动力传动系统第1阶扭转振动频率、动力总成与驾驶室刚体模态频率有效避开，Judder消除，主观评估可以接受，最终提升了车辆NVH性能。

离合器；颤振；传动系统；扭转振动；刚体模态

1 前言

车辆起步过程中，离合器滑摩直至接合，产生扭矩使变速箱输入轴与发动机飞轮转速逐渐同步，出现的驾乘人员能明显感受到的车辆前后方向低频窜动现象，汽车NVH中称为颤振，常英译为Judder。汽车动力传动系统NVH性能以及驾乘舒适性由此降低，易引起抱怨。

作为传递和切断动力的典型控制部件，摩擦式离合器以其转矩容量大、损耗小，而且结构简单、成本低，在汽车、工程车辆、机械装备等动力传动系统中大量应用[1]。对于Judder相关分析研究，相关文献[1-4]主要集中在摩擦式离合器滑摩擦接合过程的接合冲击度、滑磨功、结构热耦合等方面，或者对离合器自激振动产生抖振的多重影响因素对比分析，提出优化控制离合器的抖振现象的措施。

本文针对实际工程的某皮卡车在起步过程Judder问题的优化解决，完成整车动力传动系统扭转振动、工作变形等客观测试分析，确定Judder产生的原因与主要影响部件，并提出了经对比验证的合理可行方案，最终优化解决该问题，提升了整车NVH性能。

2 问题分析

2.1 问题背景

某后驱柴油皮卡，怠速转速750rpm，配5速手动变速箱，在驾驶员挂1挡，松抬离合器踏板，离合器滑摩起步过程中，出现驾乘人员不可接受的前后方向强烈低频颤振，即Judder，离合器完全接合后颤振消失。

客观测得的驾驶员座椅导轨振动响应同样显示车辆前后向的振动加速度值最大，RMS振动峰值达0.04g，对应频率约为12.5Hz。

图1 驾驶员座椅导轨三向振动加速度响应

2.2 传动系统扭转振动测试分析

Judder一般分自激振动与强制振动两类，确认该车离合器摩擦盘具有正摩擦阻尼特性，排除该皮卡车Judder由离合器自激振动导致。发动机飞轮、离合器及变速器输入轴装配后轴不对中，如离合器盘表面不平、偏斜安装造成单面摩擦，在其每次旋转时，产生转矩波动，引起驱动系统扭转振动；或车辆动力传动系统扭转振动模态与激励频率共振，产生前后方向颤振，为强制性Judder。

发动机飞轮、离合器及变速器输入轴之间装配设计上有要求与保证，装配后系统不对中难以检测，拆卸单个部件检查，状态无异常，先排除发动机飞轮、离合器及变速器输入轴间装配轴不对中可能性影响，重点考虑传动系统扭转共振的影响。

以发动机曲轴前端、飞轮端、变速箱输入轴处、变速箱输出轴、传动轴前端、传动轴后端（靠近后桥输入法兰面）及左右后轮辋为转速拾取关键测点，同步采集座椅导轨加速度信号，完成该车起步过程的动力传动系统扭转振动与响应测试。

图2 动力传动系统扭转振动转速测点

转速测点与传感器布置如上图2，其中发动机曲轴前端安装编码器，与变速箱输入轴齿轮垂直的壳体表面钻孔攻丝，安装磁电转速传感器，其余转速测点通过光电转速传感器采集对应的转速信号。

车辆起步过程的发动机飞轮、变速箱输入轴转速与座椅振动响应的时域变化如下图3。

图3 飞轮/变速箱输入轴转速与座椅振动时域变化

t1-t4阶段，离合器滑摩，变速箱输入轴转速与发动机转速差逐渐减小，至t4之后离合器完全结合，转速差为零。其中t1-t2阶段，发动机转速为750rpm，离合器滑摩，座椅振动最大，Judder最明显；t2-t4阶段，离合器处于滑摩阶段中、后期，随离合器后端传动系统惯量的引入，座椅振动降低，Judder减弱，此阶段发动机转速为800rpm；离合器完全结合后，主观感觉无Judder，对应的发动机转速升至820rpm。

取Judder最明显阶段各测点转速、振动响应的时域数据，计算其单位时间内变化数与对应发动机阶次，汇总如下表1。

表1 各测点单位时间内时域数据变化

飞轮后端各测点转速与座椅导轨振动的变化频率为12.5Hz，与发动机怠速第1阶激励频率对应，说明整车传动系统存在离合器随发动机飞轮旋转的1阶频率扭矩波动，即证明飞轮、离合器及变速器输入轴装配后存在轴心不对中。

发动机飞轮端与变速箱输入轴扭转振动角位移（度/°）变化三维图谱显示：在离合器滑摩阶段，传动系统的扭转振动频率为12.5Hz，与发动机750rpm的1阶频率对应，离合器结合，变速器输入轴转速与飞轮转速同步后，因整车动力传动系统其余所有转动惯量加入，扭转振动频率降至约1.8 Hz。具体如图4、图5。

图5 变速箱输入轴扭转振动角位移变化三维谱

下图6座椅导轨振动三维谱图中，显示其主要振动频率有相同变化趋势，标注“①”与“②”分别为发动机第1阶、第2阶激励频率变化，标注“③”为发动机飞轮与变速箱输入轴相对转速1阶频率变化，标注“④”为离合器结合后的传动系统扭转振动频率。

图6 座椅导轨振动响应三维谱

综合以上测试分析结果，车辆起步过程中Judder，主要由发动机飞轮、离合器及变速器输入轴间装配存在轴不对中，产生摩擦扭矩激励波动，且动力传动系统1阶扭转振动频率与发动机1阶激励频率耦合共振两方面相互叠加作用导致。

2.3 整车ODS测试与CAE分析

汽车起步接合过程中，上述摩擦扭矩激励波动与传动系统扭转共振导致的振动，主要通过以下几种路径传递至驾驶室：

（1）动力总成->传动轴->后桥->后悬架->车架->驾驶室；

（2）动力总成->传动轴->传动轴中间支撑->车架->驾驶室；

（3）动力总成->动力总成悬置->车架->驾驶室。

根据工程经验，动力总成、车架、车身等刚体模态频率为低频，一般约3～20Hz范围内。若其中某系统或部件频率与12.5Hz接近，很大可能使Judder振动响应放大，应重点予以分析。

对同步采集的车辆起步过程中动力传动系统关键测点的转速信号处理，进行工作变形（ODS）分析[5]。动力传动系统扭转振动振型具体如图7，其中变速器输入轴与飞轮转角反向，离合器盘、变速箱输入输出轴及传动轴同向旋转，其中变速器输入轴扭转角位移最大。因传动比关系，变速箱输出轴、传动轴及后桥半轴扭转角依次减小。

图7 动力传动系统扭转ODS振型

建立包括驾驶室、车身、动力总成、传动系统的CAE模型，见下图8，对动力传动系统施加对应的扭转激励，分析得到在12.5Hz频率附近，系统扭转振型与实际测试分析的工作振型一致。

同时，存在明显的动力总成前后窜动，后桥点头，以及驾驶室与车架反相位的前后窜动振型。

图8 CAE工作变形分析振型

测试该车动力总成刚体模态，前后点头（Pitch）模态频率约为11.8Hz，与Judder频率很接近。

上述测试分析结果说明动力总成、驾驶室的刚体模态，从传递路径上进一步放大了驾驶室内Judder振动响应。

3 方案验证

通过上述Judder产生原因、振动主要传递路径与影响部件的分析，控制发动机飞轮、离合器及变速器输入轴间装配后轴不对中精度后，主要从改变动力传动系统激励与扭转振动频率、调整动力总成、驾驶室刚体模态，避开共振频率等方面来降低Judder响应。以下介绍的措施，经对比验证有效。

3.1 调整发动机怠速转速

建立整车动力传动系统一维扭转振动仿真模型，完成第一阶扭转振动模态灵敏度分析，结果显示后桥半轴扭转刚度、离合器扭转刚度为主要贡献量，降低两者扭转刚度30%，能降低动力传动系统扭转振动频率约2Hz，但客观测试与主观驾评，确认Judder改善不明显，且带来系统部件的耐久风险，该方案不可行。

尝试调整发动机怠速转速，使发动机第1阶激励频率与整车动力传动系统第1阶扭转振动频率有效避开，以降低Judder振动响应。

下图9为不同发动机怠速转速时的座椅导轨振动加速度RMS值对比，调整后的怠速转速与原状态的相差越大，振动响应幅值越小。

完成Judder驾驶评价，采用常用的十分制，相应的主观评分汇总如下表2，主观感受与客观数据很好对应，即怠速转速与原状态的相差越大，评分越高。

图9 不同发动机怠速转速座椅导轨振动加速度值对比

表2 不同发动机怠速转速Judder主观感受对比

当发动机怠速转速与原始状态750rpm相差60rpm，即与原状态发动机第1阶激励频率12.5Hz避开至少约2Hz，才能感受不到Judder。

3.2 改变动力总成与驾驶室刚体模态

建立整车CAE模型仿真，分析结果显示降低动力总成悬置三向刚度30%，降低驾驶室第一排、第四排悬置垂向刚度20%，动力总成与驾驶室Pitch模态频率为10.6Hz，避开问题频率约2 Hz。

维持发动机怠速转速750rpm不变，采用该方案，客观测试数据对比，结果显示座椅导轨在整车前后向的时域振动响应降低明显。图10中，在发动机转速750rpm时间段内，振动均方根值由0.09g降至0.06g，降幅约30.5%，动机转速800rpm区段内，振动均方根值由0.05g降低至0.03g，降幅约34%。

图10 座椅导轨振动响应对比

主观驾评Judder有较明显改善，且振动响应持续时间缩短，该状态可以接受。

该皮卡为项目平台小改款车型，为综合平衡优化结构、车辆耐久验证、NVH性能及燃油经济性等方面的成本、周期影响，最终采用发动机转速调整方案，改变其1阶激励频率，以避开系统共振频率。ECU程序中的具体调整策略为当车辆离合器踏板被踩下，变速箱挂1挡，上升发动机怠速转速到850rpm，离合器完全接合后，转速又降至820rpm。

图11 发动机怠速转速调整前后座椅导轨振动对比

图11中，采用优化版ECU策略后，座椅导轨振动加速度幅值降低明显，幅度约55%，且驾乘人员主观驾评感受不到Judder。

4 总结

（1）汽车起步过程中强制性Judder分析，除考虑发动机飞轮、离合器及变速器输入轴等系装配轴心对中精度，还应考虑动力传动系统的第1阶扭转振动频率、Judder振动传递路径上主要系统部件的模态与系统激励频率共振的影响。

（2）汽车起步过程中Judder可通过改变动力传动系统第1阶频率、Judder振动传递路径上主要影响系统部件模态有效避频，或调整发动机怠速转速以改变系统激励频率能得到有效解决。

[1] 陈俐,王昊松,习纲.离合器接合过程抖振机理与控制研究[J].系统仿真学报,2011.Vol.23 No.7.

[2] Kani H, Miyake J, Ninomiya T. Analysis of the Friction Surface on Clutch Judder[J]. JSA Review of Automotive Engineering (S1349- 4724),1992,13(1): 82-84.

[3] 廖林清.汽车起步过程离合器滑磨功仿真分析[J].重庆理工大学学报,2012.Vol.26 No.4.

[4] 卢慧娟,赵世婧,艾佳琨.卡车起步工况对离合器接合过程的影响分析[J].机械设计与制造, 2016.No.3:135-138.

[5] 李小亮.汽车动力传动系统扭振ODS测试分析与应用[J].汽车实用技术,2017(13):114-117.

A PK’s Judder Analysis and Improvement in Start Procession

Li Xiaoliang1, Liu Bo2

( 1.Gertrack (Jiangxi) Transmission System Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330013; 2.Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330000 )

Obvious Judder occurs in start procession of a diesel PK, the vehicle powertrain torsional vibration and operation deflection shape test and analysis are completed firstly, then Judder root cause and main influence components are verified, the comparison test and assessment of improvement methods are finished finally. engine idle speed adjustment as one improvement method to change excited frequency, which is improved can avoid the 1st order resonance frequency of vehicle powertrain torsional vibration and rigid modal of powertrain and cabin effectively, Judder is eliminated and pass the subjective assessment, and vehicle NVH performance is improved in the end.

Clutch; Judder; Powertrain; Torsional vibration; Rigid modal

U467

B

1671-7988(2019)24-72-04

U467

B

1671-7988(2019)24-72-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.024

李小亮（1985-），男，江西鄱阳人，硕士研究生，NVH工程师，主要从事研究工作为汽车传动系统NVH控制与优化。