柴油車變速器油液阻尼力矩測量及其對怠速異響的影響研究

楊河洲　趙紅宇　張明旭　朱天答　楊樹軍（.鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，鄭州45006；.燕山大學(xué)，秦皇島066004）

柴油車變速器油液阻尼力矩測量及其對怠速異響的影響研究

楊河洲1趙紅宇1張明旭1朱天答1楊樹軍2
（1.鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，鄭州450016；2.燕山大學(xué)，秦皇島066004）

為研究變速器油液阻尼力矩對柴油車怠速異響的影響趨勢，建立柴油車傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型，基于柴油車怠速異響在冷車工況和熱車工況具有不同的故障表現(xiàn)，得出研究怠速異響需要考慮變速器油液阻尼力矩對怠速異響的影響因素的結(jié)論。建立變速器油液阻尼力矩試驗臺架，測試變速器在油溫為-30～90℃、怠速轉(zhuǎn)速為600～1 500 r/min下輸入軸受到的阻尼力矩，分析該力矩隨油溫、轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，并獲得經(jīng)驗公式。

主題詞：柴油車變速器油液阻尼力矩怠速異響

1 前言

柴油車怠速時由于發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)不均勻度較大，如果離合器參數(shù)選取不合理，會引起變速器常嚙合齒輪齒間發(fā)生敲擊現(xiàn)象并產(chǎn)生令人厭煩的怠速異響。

解決柴油車怠速異響根本的辦法是合理匹配離合器從動盤減振特性，特別是怠速級減振參數(shù)。由于怠速異響在不同工況下的故障表現(xiàn)不相同，要同時考慮冷車狀態(tài)和熱車狀態(tài)兩種工況。

變速器油溫的變化影響油液的阻尼系數(shù)及變速器輸入軸受到的阻尼力矩。準確獲取變速器輸入軸在不同溫度、不同轉(zhuǎn)速下受到的油液阻尼力矩是研究柴油車怠速異響、優(yōu)化離合器減振參數(shù)的重要條件［1～2］。

國外學(xué)者Klaus［3］從元件角度將齒輪箱的油液阻尼力矩進行了分類，并通過試驗分析了齒輪的功率損失；Xu H［4］建立了平行軸齒輪對的機械效率模型，并通過試驗進行了驗證；ChangenetC等［5］通過熱網(wǎng)絡(luò)法對某6擋機械變速器的阻尼力矩進行了研究，并建立了齒輪攪油阻尼力矩的數(shù)學(xué)模型。國內(nèi)杜明剛［6］和楊立昆［7］分別對綜合傳動裝置和DSG變速器的油液阻尼力矩進行研究并建立相應(yīng)的模型。

目前，國內(nèi)關(guān)于變速器油液阻尼力矩隨轉(zhuǎn)速、溫度變化趨勢的研究較少［8］，低溫條件下的變速器阻尼力矩試驗尚未見文獻報道。本文對柴油車變速器油液阻尼力矩進行試驗研究，測試變速器在油溫為-30～90℃、怠速轉(zhuǎn)速為600～1 500 r/min下輸入軸受到的阻尼力矩，并研究其隨油溫、轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

2 變速器油液阻尼力矩試驗

2.1 試驗系統(tǒng)及原理

試驗在燕山大學(xué)汽車實驗室的ONOSOKKI汽車變速器試驗臺上進行。該試驗臺由試驗臺本體、溫控環(huán)境試驗箱和測控系統(tǒng)3部分組成。

研究冷、熱車兩種工況下的怠速異響，一般只要獲得怠速（700～800 r/min）情況下，油液溫度在低溫（0℃）和高溫（70℃）時的變速器輸入軸阻尼力矩，就可用計算或仿真的方法獲得較為合理的離合器從動盤減振參數(shù)。為了擴展研究范圍，本次試驗的油液溫度定為-30～90℃，模擬發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速范圍為600～1 500 r/min。

在該變速器油液阻尼力矩試驗方案中，變速器處于空擋位置，變速器的輸出軸固定，變頻電機連接輸入軸模擬發(fā)動機提供不同輸入轉(zhuǎn)速。變速器輸入軸和電機之間連接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，測量輸入轉(zhuǎn)速和阻尼力矩。安裝在變速器油底殼位置的溫度傳感器實時測量潤滑油的溫度。溫控系統(tǒng)將變速器油溫調(diào)整并保持在所需的試驗溫度（±1℃）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集變速器的輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩和油溫。

2.2 試驗方法及內(nèi)容

根據(jù)實際要求，向試驗變速器中加注標準油量的長城牌GL-475W/90潤滑油，將變速器安裝到試驗臺上，進行阻尼力矩試驗測量：

a.調(diào)節(jié)環(huán)境試驗箱將變速器油溫降低到-30℃，并保持溫度不變；

b.調(diào)節(jié)變速器輸入轉(zhuǎn)速為600 r/min，維持轉(zhuǎn)速不變，采集并保存此工作點的輸入轉(zhuǎn)速、阻尼力矩和油溫；

c.以50 r/min為步長，依次將試驗轉(zhuǎn)速升高，直至1 500 r/min，重復(fù)步驟b，分別采集相應(yīng)工作點的輸入轉(zhuǎn)速、阻尼力矩和油溫，每個轉(zhuǎn)速采集7個數(shù)據(jù)進行平均；

d.調(diào)節(jié)環(huán)境試驗箱，以10℃為步長，選定其它試驗油溫，并保持溫度恒定，重復(fù)步驟b～d，直至90℃。

3 試驗結(jié)果分析

本批次試驗變速器有5種型號，共計10臺。比較試驗數(shù)據(jù)，得出該系列變速器阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速和油溫變化的一般規(guī)律，并總結(jié)出其經(jīng)驗公式。下文中的試驗數(shù)據(jù)均為其中一臺被試變速器的試驗結(jié)果。

3.1 恒定油溫下阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

在油溫和油量固定的情況下，阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速近似呈線性關(guān)系，但在擬合過程中發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)能更好擬合試驗數(shù)據(jù)，得出的經(jīng)驗公式可表示為：

式中，M為阻尼力矩；n為轉(zhuǎn)速；a、b、c為擬合系數(shù)。

表1為恒定油溫下，該被試變速器阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速經(jīng)驗公式的部分擬合系數(shù)。

表1　恒定油溫條件下的擬合系數(shù)

3.1.1 -30℃時阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

圖1為油溫為-30℃時該被試變速器阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系?？芍蜏貫?30℃時，阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速升高而減小，且曲線的斜率逐漸變小。

圖1　-30℃時阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.1.2 -20℃時阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

圖2為油溫為-20℃時，該被試變速器阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系?？芍?，油溫為-20℃時，阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速升高而減小，且曲線的斜率逐漸變大。

圖2　-20℃時阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.1.3 -10℃～90℃時阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

圖3為油溫為-10℃、10℃和90℃時，該變速器阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系?？芍?，當油溫為-10～90℃時，恒定油溫下，阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速升高而增大，且曲線的斜率逐漸變小。

3.2 恒定輸入轉(zhuǎn)速下阻尼力矩隨油溫的變化關(guān)系

在輸入轉(zhuǎn)速和油量固定的情況下，阻尼力矩隨油溫變化的經(jīng)驗公式可表示為：

式中，t為油溫；a1、b1、c1、d1為擬合系數(shù)。

表2為恒定輸入轉(zhuǎn)速下，該變速器阻尼力矩隨油溫變化的經(jīng)驗公式的擬合系數(shù)。

圖3　-10℃～90℃時阻尼力矩與輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系

表2　恒定輸入轉(zhuǎn)速條件下的擬合系數(shù)

圖4為600～1 500 r/min時，阻尼力矩隨油溫的變化關(guān)系?？芍?，恒定輸入轉(zhuǎn)速下，阻尼力矩隨油溫升高而減小，且曲線的斜率逐漸變小。

圖4　恒定輸入轉(zhuǎn)速下阻尼力矩隨油溫的變化關(guān)系

4 油液阻尼力矩對怠速異響的影響研究

4.1 理論研究

在某柴油車開發(fā)過程中，出現(xiàn)了熱車時怠速異響明顯而冷車不明顯的故障模式，為解決該問題建立針對怠速異響研究的傳動系統(tǒng)動力學(xué)方程。

本文用兩個自由度的非線性振動模型模擬發(fā)動機飛輪怠速時轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，經(jīng)離合器從動盤傳遞到變速器，引起常嚙齒輪輪齒間的敲擊現(xiàn)象。研究怠速異響的傳動系統(tǒng)力學(xué)模型如圖5所示。

圖5中，θ0為發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)角；θ1為變速器輸入軸轉(zhuǎn)角；T1為從動盤減振器扭矩；K1為離合器從動盤怠速級剛度；Mμ1為離合器從動盤怠速級阻尼值；Mn1為離合器從動盤怠速級預(yù)緊力矩；K2為離合器從動盤2級扭轉(zhuǎn)剛度；Mμ2為離合器從動盤2級滯后值；Mn2為離合器從動盤2級預(yù)緊力矩；β1為離合器從動盤怠速級扭轉(zhuǎn)角；I1為變速器輸入軸和從動盤轂的轉(zhuǎn)動慣量；I2為變速器中間軸的轉(zhuǎn)動慣量；T2為變速器常嚙合齒輪的敲擊力矩；K為變速器常嚙合齒輪當量扭轉(zhuǎn)剛度；θ2為中間軸的轉(zhuǎn)角；ε為常嚙齒輪副輪齒間隙對應(yīng)的扭角；C1為變速器輸入軸油液阻尼系數(shù)；C2為變速器中間軸油液阻尼系數(shù)；R1為變速器輸入軸阻尼力矩；R2為變速器中間軸阻尼力矩。

圖5　傳動系統(tǒng)力學(xué)模型

根據(jù)簡化的力學(xué)模型，對變速器輸入軸和中間軸進行受力分析，得到怠速異響傳動系統(tǒng)的運動方程為：

敲擊力矩為：

敲擊力矩轉(zhuǎn)化為怠速噪聲值時，公式（4）中T是測量得到的變速器齒輪間敲擊力，L表示怠速噪聲的大小。

公式（3）中，通過試驗測量得到θ0的擬合函數(shù)為1.43sin（2π26.85 t），參數(shù)I1和I2分別取空擋時變速器輸入軸和中間軸的當量轉(zhuǎn)動慣量分別是0.000 47 kg·m2和0.0026 kg·m2，常嚙合齒輪輪齒間隙為0.0019 rad；離合器減振參數(shù)為初始設(shè)計值，其中怠速級剛度為0.6N·m，怠速級阻尼力矩為1.66 N·m，怠速級預(yù)緊力矩為0.2 N·m，2級剛度為15.1N·m，2級阻尼力矩為12N·m，2級預(yù)緊力矩為8 N·m。C1θ˙1即是研究測量的變速器油液阻尼力矩，利用MATLAB對理論方程求解，得到不同的離合器從動盤扭轉(zhuǎn)參數(shù)下阻尼力矩對怠速異響的影響趨勢。圖6中3條曲線表示從動盤剛度值和滯后值分別為（0.4，2.0）、（0.69，3.0）、（0.16，1.45）時，變速器輸入軸受到的油液阻尼力矩對怠速異響的影響趨勢?？梢钥闯?，變速器油液阻尼力矩對怠速異響的影響比較復(fù)雜，不同的怠速級剛度值和滯后值組合，冷、熱車時怠速異響差異較大。

圖6　油液阻尼力矩對怠速異響的影響研究

4.2 試驗驗證

理論研究表明，油液阻尼力矩對怠速異響的影響較為復(fù)雜，并且與離合器從動盤怠速級參數(shù)的選取也有很大關(guān)系。為了驗證理論方程和求解方法的有效性，選取4套不同參數(shù)的離合器從動盤作為4種方案，見表3。分別用理論仿真和實車測量的方法得到4種方案的怠速噪聲的大小，如圖7和圖8所示。

表3　4種方案的離合器參數(shù)N·m

圖8　實車測量噪聲結(jié)果

從圖7的理論仿真結(jié)果可以看出，在冷車時（變速器油液阻尼力矩為1.59 N·m），4種離合器方案的怠速噪聲大小基本一致，而熱車時（變速器油液阻尼力矩為0.36N·m）方案1和方案2的噪聲變化不明顯，方案3和方案4的噪聲顯著增加，其中方案3噪聲最大。

實車測量時，冷車狀態(tài)下（車輛剛起動時）4種方案的怠速噪聲基本沒有，熱車狀態(tài)下（車輛行駛20min以上）怠速噪聲有明顯差異。圖8是熱車狀態(tài)下測量的結(jié)果，每種方案測量均持續(xù)30 s，前15 s踩下離合器踏板，變速器不旋轉(zhuǎn)，沒有怠速噪聲，測量的值完全是發(fā)動機聲音。第15 s松開離合器踏板，離合器接合，變速器旋轉(zhuǎn)，后15 s測量值包括發(fā)動機聲音和怠速噪聲。因此，每種方案下，后15 s和前15 s測量值的差異可認為是怠速噪聲值。從圖8中可以看出，方案3怠速噪聲最大，方案4次之，方案1和方案2怠速噪聲不明顯。這與理論仿真結(jié)果完全一致。

5 結(jié)束語

柴油車怠速異響是比較常見的故障現(xiàn)象，解決方法是優(yōu)化離合器從動盤怠速級減振參數(shù)，衰減發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)速不穩(wěn)引起的變速器常嚙合齒輪敲擊。其中變速器輸入軸受到的油液阻尼力矩對怠速異響影響復(fù)雜，優(yōu)化離合器參數(shù)時，必須準確獲得所需工況下的變速器油液阻尼力矩。本研究用試驗的方法獲得了恒定油溫下，變速器阻尼力矩隨輸入轉(zhuǎn)速變化的經(jīng)驗公式，以及恒定輸入轉(zhuǎn)速下，變速器阻尼力矩隨油溫變化的經(jīng)驗公式。

1馮振東，王占歧，盧炳武.離合器從動盤扭轉(zhuǎn)特性對變速器怠速異響的影響.汽車技術(shù)，1989（9）：6～12.

2馮振東，史廣奎，鄔惠樂，等.東風(fēng)牌EQ2D140柴油車變速器怠速噪聲的研究.汽車工程，1989（2）：59～66.

3 Klaus Michaelis，Bernd-Robert Hohn，Michael Hinterstoiber.Influence factors on gearbox power loss.Industrial Lubrication and Tribology，2011，63（1）：46～55.

4 Xu H，Anderson N E，Maddock D G，et al.Prediction ofMechanical Efficiency of Parallel-Axis Gear Pairs.Journal of MechanicalDesign，2006，129（1）：58～68.

5 ChangenetC，Oviedo-MarlotX，Velex P.Power Loss Predictions in Geared Transmissions Using ThermalNetworks-Applications to a Six-Speed Manual Gearbox.Journal of MechanicalDesign，2005，128（3）：618～623.

6杜明剛，張立群.綜合傳動裝置空載功率損失研究.車輛與動力技術(shù)，2004（1）：27～33.

7楊立昆，李和言，馬彪.DSG變速器空載功率損失預(yù)測模型.汽車技術(shù)，2013（5）：33～37.

8霍曉強，吳傳虎.齒輪傳動系統(tǒng)攪油損失的試驗研究.機械傳動，2007（1）：63～65.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

Research on Diesel Transm ission Oil Dam ping Torque M easurement and Its Im pact on Id ling Noise

Yang Hezhou1，Zhao Hongyu1，Zhang Mingxu1，Zhu Tianda1，Yang Shujun2
（1.Zhengzhou Nissan Automobile Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016；2.Yanshan University，Qinhuangdao 066004）

【Abstract】In order to study the trend of impact of diesel transmission oil damping torque on idling noise，we establish a diesel vehicle drivelinemechanicalmodel，and conclude that the influencing factor of transmission oil damping torque on idling noisemust be considered in the study of idling noise，based on different behaviors of idling noise of diesel vehicle in cold and hot conditions.The transmission oil damping torque test bench is established.The damping torque of input shaft is measured under different temperatures（-30～90℃）and different speeds（600～1 500 r/min）.The rule of change of damping torque with oil and speed is analyzed，and empirical equation is obtained.

Dieselvehicle，Transm ission，Oildam ping torque，Idling noise

U467.3

A

1000-3703（2016）08-0031-04