1、AMESim 在传动系扭转振动的应用1、 前言 随着汽车结构的不断轻量化和人们对汽车乘座舒适性要求的提高，使得汽车动力传动系的扭振问题越来越突出，成为汽车结构振动和噪声的主要根源之一。因此，传动系扭振问题作为整车性能的重要指标之一，备受越来越多的汽车厂商和研发单位的密切关注。 传动系统扭振问题主要包括发动机扭转谐振、驱动链振动分析、离合器颤振、扭转减振器噪声、双质量飞轮匹配分析、变速器啸叫噪声、变速器敲击噪声、低频轰鸣声以及呼啸声等。 如何有效合理地消除或解决这些噪声则成为了提升整车品质的关键，以往主要是凭借工程师自身的知识和经验，经过多次试验反复修正参数来处理这些问题。这些方法不仅需要消耗大
2、量的人力、物力和时间，而且很多情况不能从根源上解决问题，扭振控制效果也不明显。随着现代科学、计算机技术及仿真理论的迅速发展，仿真分析逐渐成为了设计和研发的主流。在计算机上进行仿真试验，研究实际物理系统的各种工作状况，复现实际出现的故障，分析故障出现的原因并优化，不仅可以缩短解决问题时间和成本，还可从根本上找到解决问题的途径和方法。正是由于这种优越性，仿真技术正逐渐被工程领域所采用。 AMESim 的传动系扭振解决方案提供了振动问题（离合器颤振或轰鸣鸣噪声） ，机械接触（敲击）或滑移控制等的根源所有必需信息。因此，可以帮助用户更深层次的理解传动系 NVH 性能。 2、 AMESim 传动系应用方
3、案 AMESim 是一个多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境，其模型库丰富，多达 41 类，专注于物理系统本身设计，可使得工程师从繁琐的数学建模中解放出来，提供了齐全的分析工具，如线性化分析工具、模态分析工具、频谱分析等。 它有多达几十个不同行业领域的解决方案，其中传动系扭转解决方案几乎涵盖了动力传动架构的所有问题，并且使用 AMESim 的离线测试流程可以验证任何车辆动力传动架构，工程师可以减少车辆动力学台架试验次数，节省成本。 这些车辆动力传动架构有： 传动链 从发动机到地面接触。考虑影响传递至轮胎扭矩的所有子系统（部件） 。变速器通常采用简单模型。 发动机 考虑发动机的运动部件 （发动
4、机壳体也可以考虑进来） ，计算输出扭矩的振动和车体的振动。 变速器 将离合器或者变矩器的输出扭矩和速度按照设定的值传递至传动链的下游部件。 采用 AMESim，可以对车辆动力传动架构做以下具体应用分析： 1）传动链的应用： 扭矩变化及其最大值 （驱动链阻力特性分析） 车辆运动的舒适性 （SUV 和卡车发动机纵置的 jerk 和 roll 分析） ，考虑驱动链的动态特性，包括发动机在支座上的运动 设计和优化作动和主动控制系统： TCC （变矩器离合器） ，分动器，主动差速器，发动机支座定位 2）发动机的应用： 描述进入到驱动链/变速器的扭矩振动，相当于振源 考虑发动机安装支座的驱动链动态特性分析
5、 优化发动机安装的位置 控制气门开启的凸轮轴动态特性分析以及 VVT 动态特性分析 考虑轴承阻力及其耐久性的曲轴动态特性分析 3）变速器的应用： 扭矩的变化及其齿接触力 换档品质 液压系统正常工作，失效安全分析 元件性能分析 功率流 传动损失 通过这些具体应用中的一个或某几个结合起来，就可以分析传动系各种扭转振动问题。 3 、传动系扭振应用案例 AMESim 对几乎所有的传动系扭转问题，都有相应的应用解决方法和流程，比如： 驱动链扭振分析 双质量飞轮的匹配 离合器扭转减振器分析 行驶舒适性分析 主离合器 judder 和 shuffle 现象分析 闭锁离合器的 judder 问题 闭锁离合器的
6、 booming 噪声 变速器 gear rattle 噪声分析 制动的 judder 转向系统的 judder 重型卡车的 surge 现象仿真分析 发动机扭转谐振分析 发动机悬置分析 下面对以上具体应用举例说明。 3.1 驱动链扭振分析 发动机和卡车驱动链的耦合模型如下图 1 所示。其中，图 1 上部分是 4X2 卡车驱动链模型，发动机为一个直列六缸谐振模型，车辆负载等效为相应的惯量，变速器部分也等效为某个档位速比，然后给定传动系的各自刚度和惯量，通过频域分析就可得到传动系各级振动频率。而图1 下部分则是 6X4 卡车驱动链模型，同样地分析可得各阶次振动频率。 再通过模态分析工具，用户可以
7、确定影响各阶振型的主要因素，比如下图 3 所示分别为第二阶、第三阶和第四阶的模态。下图 3 中的第四阶模态分析可明显看出，元件 7 和 8 为第四阶模态的主要贡献量，通过修改其相应参数可调整第四阶频率。其中，有些振型会对多种传动链设计产生恶劣的扭振（2，4 以及 6 轮驱动） 。 3.2 双质量飞轮的匹配 当发动机从驱动模式变为制动模式时，带来齿间反跳，由此产生Clonk 噪声。当发动机转速增加时，在某些转速下抖动激烈产生 Booming噪声。通过仿真选配发动机扭振减振器，即优化减振器的关键参数包括惯量、刚度和阻尼等，可以消除或减小这两种振动噪声。 下图 4 为双质量飞轮匹配模型，其中最左边为
8、一个四缸四冲程发动机谐振模型，作为整个传动系统的扭振激励源。双质量飞轮特性曲线如下图 5 所示。差速器速比处给定考虑齿轮间隙接触的模型，便于模拟clonk 噪声。 对图 4 模型按照默认参数做时域仿真分析，可得到如下图 6 所示的双质量飞轮从动轴转速、差速器在曲轴侧转速和车轮转速相应的关系图。从图 6 中可知，在 2s 时，差速器转速有明显的波动，从而产生了 booming 噪声。在 3.2s 处，车辆从驱动到制动模式切换时，带来了齿间反跳，出现了一定的转速波动，并由此产生了 clonk 噪声。 通过对上图 6 做频率分析和模态分析，找到关键优化参数如惯量、刚度和阻尼等，修改后再次进行时域仿真
9、。分析可得双质量飞轮对发动机谐振的隔离作用，如下图 7 和图 8 所示为双质量飞轮的主从动轮的转速。 从结果图 8 可知，经过双质量飞轮的隔离作用，从动轮转速基本没有了波动，从而有效地消除了 clonk 噪声。同时，booming 噪声也随之消除。 3.3 主离合器 Judder 和 Shuffle 现象 下图 9 是前置前驱、手动变速器车辆在一档结合时的主离合器judder 现象和 shuffle 现象模型。Judder 现象是车辆处于 1 挡，主离合器平滑结合，在离合器完全结合之前的打滑阶段出现的抖动。而 Shuffle现象是油门踏板刚刚松开时的车辆抖动。该模型引人平面车辆、悬架和轮胎模型
10、，可考虑振动的传递。 对图 9 模型进行仿真，当采用模型默认值时，即只考虑了轮胎的动态特性，没有考虑悬架的纵向阻尼作用时，可得如下图 10 所示的发动机飞轮转速和离合器转速关系。图 10 中并没有出现离合器 judder 现象，只在 4.5s 出现了 shuffle 现象。Shuffle 是 tip-out 引起的，只要给定缓慢的制动就可避免。 当给定纵向悬架一定线性阻尼时，仿真结果如下图 11 所示。从图 11可知，红色框图部分的离合器转速出现了振动，即离合器在结合过程中的末端出现了 judder 现象。 3.4 变速器 Gear Rattle 噪声分析 变速器中的 Gear Rattle
11、问题主要是间隙的非线性特性，例如Backlash、多段不同刚度的弹簧、迟滞等引起的。例如某小型轿车（前置前驱、1.5L4 缸发动机、5 速手动变速器）从怠速切换至 1 挡并结合离合器时就出现该现象，如下图 12 黑色框图所示。 通过 AMESim 可以建立起变速器的详细模型，复现并分析引起该现象的因素从而找到解决 Gear Rattle 的方案。下图 13 是 AMESim 建立的 5速自动变速器齿轮敲击模型，选定齿轮间隙接触模型，可分析接触力及其引起的振动。 通过优化齿数和行星排，可以减少由于齿隙反跳带来的接触力的振动。如下图 14 所示，优化左图齿轮齿数等几何参数，可减少如右图所示的接触力
12、矩振动。 在不同发动机转速和负载下（如下图 15） ，齿隙反跳将改变振动的幅度和频率。 下图 16 是齿轮在不同发动机转速和负荷下的传递扭矩。可见，其振动幅度发生了明显的改变。 以上分别例举了驱动链扭振、双质量飞轮匹配、主离合器颤振和变速器齿轮敲击噪声等四个典型的传动系扭振问题应用解决方案。对于其他传动系扭振问题，同样地也可以按照此类方法和流程来解决，这里不再一一赘述。 4、 结语 本文简要介绍了 AMESim 仿真软件在车辆传动系统扭转振动的应用。包括发动机部分的谐振分析、悬置匹配，传动链部分的扭转减振器分析、双质量飞轮匹配、离合器颤振等，还有变速器部分的齿轮敲击等。并着重结合模型分析了驱动链扭振、双质量飞轮匹配、主离合器颤振和变速器齿轮敲击噪声的具体应用，对实际工程应用具有很重要的指导意义。 AMESim 以其简便的操作、强大的仿真分析能力和丰富专业的解决方案，为工程师在做传动系扭振优化设计和解决各种传动系扭振问题时，提供了一套极具参考价值的分析方法和流程。工程师在设计和研发时，值得研究与应用。
