某雙離合器變速箱齒輪敲擊測試分析與優(yōu)化

李小亮 覃彥穎 張貴芝 肖 夏

(格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330013)

1 前言

雙離合器式自動變速器(dual-clutch transmission，DCT)是一種新型的自動變速器，它通過控制兩個離合器的切換，實現(xiàn)快速、平穩(wěn)的換擋過程，具有良好的動力性、舒適性及燃油經(jīng)濟性，且相比AT結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在國內(nèi)乘用車中越來越普遍應(yīng)用。

齒輪敲擊聲作為雙離合器變速器NVH性能的一項重要控制內(nèi)容，對于變速器敲擊的分析研究，主要集中在敲擊的產(chǎn)生機理、仿真分析數(shù)學(xué)模型的求解方法、敲擊客觀評價方法、齒輪敲擊試驗研究、齒輪敲擊解決途徑[1]等方面。針對雙離合器式變速器敲擊聲研究，尹良杰[2]等根據(jù)雙質(zhì)量飛輪的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了某濕式雙離合器變速箱動力傳動系扭振特性仿真模型，采用試驗實測數(shù)據(jù)對仿真模型中的雙質(zhì)量飛輪減振能力進行驗證，對雙質(zhì)量飛輪的三種匹配設(shè)計方案進行了扭轉(zhuǎn)模態(tài)、減振能力及變速箱內(nèi)部非承載齒輪副敲擊力仿真計算與對比分析。馬安康[3]等通過對某款搭載濕式雙離合變速器車型車內(nèi)噪聲與變速器近場噪聲的分析，確定了易發(fā)生變速器齒輪敲擊的工況。結(jié)合變速器臺架試驗，提出一種評價變速器齒輪敲擊強度的指標，并利用該指標分析了潤滑油溫、平均扭矩、激勵頻率對敲擊強度的影響。最后引入相干分析，通過計算各空套齒輪對變速器殼體振動的貢獻量，確定了對變速器齒輪敲擊影響程度較大的空套齒輪。

為了避免變速器齒輪敲擊，以提升整車NVH表現(xiàn)，整車上使用低扭轉(zhuǎn)剛度離合器有效衰減發(fā)動機傳遞的扭轉(zhuǎn)振動激勵，工程實際中常采用帶有離心擺式吸振器的雙質(zhì)量飛輪，但單臺成本較高。

本文以控制變速箱敲擊為目標，基于客觀測試與數(shù)據(jù)對比分析，先完成某六擋濕式雙離合變速箱敲擊臺架試驗，整理分析數(shù)據(jù)，確定其輸入軸扭轉(zhuǎn)振動加速度的敲擊臨界值。然后完成該變速器匹配帶與不帶離心擺式吸振器雙質(zhì)量飛輪的整車敲擊測試，對比變速器輸入軸角加速度值與敲擊臨界值，并結(jié)合主觀駕評結(jié)果，確認該變速箱敲擊的實際表現(xiàn)；研究最終為進一步簡化雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)，去除離心擺式吸振器，甚至采用單質(zhì)量飛輪的工程可行性及降低成本，提供借鑒參考。

2 變速箱敲擊發(fā)生機理與敲擊臨界值

2.1 變速箱敲擊發(fā)生機理

當變速器掛入某擋位時，未掛入擋位的空套在變速器傳動軸上的非承載齒輪，由于齒輪對間存在齒間側(cè)隙，以及發(fā)動機傳出的轉(zhuǎn)矩具有波動性，若非承載齒輪副周向運動位移差幅值超過齒間側(cè)隙大小，將產(chǎn)生敲擊。非承載齒輪對間強烈的敲擊振動主要經(jīng)過變速器傳動軸、軸承傳至變速器殼體，變速器殼體受激發(fā)而向外輻射噪聲。變速箱齒輪敲擊如下圖1所示。

齒輪敲擊的臨界條件，由被動齒輪的受力分析可以得到

Tdriven=Tinertia+Tdrag

(1)

式中Tdriven為被動齒輪所受到的驅(qū)動力矩，Tinertia為被動齒輪慣性力矩，Tdrag為被動齒輪所受到的拖曳力矩。

當慣性力矩幅值小于拖曳力矩時，驅(qū)動力矩為正，可以維持嚙合齒輪的正常接觸，不會產(chǎn)生拍擊；而當慣性力矩幅值大于拖曳力矩時，驅(qū)動力矩將會變成負值，嚙合齒輪會分離開，從而產(chǎn)生齒輪敲擊。

將式(1)轉(zhuǎn)換得到

(2)

2.2 變速箱敲擊輸入軸角加速度臨界值確定

以某6擋濕式雙離合器變速箱(6DCT)為對象，研究確定其敲擊產(chǎn)生的臨界條件。該DCT輸入軸總成采用一個實心軸和空心軸組合成的雙傳動輸入軸結(jié)構(gòu)，奇數(shù)檔和偶數(shù)檔的傳動齒輪分別布置于該兩根軸上。其中外離合器1與實心軸相聯(lián)，控制奇數(shù)檔，內(nèi)離合器2與空心軸相聯(lián)，控制偶數(shù)檔和倒擋。動力經(jīng)離合器接合后，向某確定擋位的輸入、輸出齒輪、對應(yīng)的輸出軸及主減速齒輪、差速器傳遞至車輪，結(jié)構(gòu)原理如圖2。

圖2 某6擋濕式DCT結(jié)構(gòu)原理圖

搭建變速箱敲擊試驗臺架，采用AVL PUMA三電機試驗臺架，其中主電機與變速器輸入軸直接連接，兩個次電機與變速器側(cè)的兩半軸相連。變速器殼體的上下左右及后側(cè)五個面上布置單向振動加速器傳感器，變速箱殼體上對應(yīng)輸入軸1擋、4擋齒輪位置鉆孔，布置磁電轉(zhuǎn)速傳感器。

圖3 變速箱敲擊試驗臺架與殼體振動測點

變速箱敲擊測試使用三電機臺架N/T控制模式，設(shè)定固定的變速箱輸出扭矩與主電機轉(zhuǎn)速，整車狀態(tài)下的三缸發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動經(jīng)離合器或飛輪扭轉(zhuǎn)減振器減振隔離后傳遞至變速器輸入軸的第1.5階激勵，通過主電機模擬輸出，依據(jù)表1所列的測試工況完成變速器敲擊試驗。每次試驗同步記錄主電機、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速及其殼體上的振動信號，每個工況測試三次，以保證數(shù)據(jù)的一致性。

表1 變速箱敲擊測試工況表

基于變速器齒輪敲擊噪聲產(chǎn)生與傳遞原理分析，且敲擊噪聲具有噪聲級跳躍現(xiàn)象，并結(jié)合測試現(xiàn)場主觀評價記錄，對某一確定工況，采集分析變速箱殼體振動數(shù)據(jù)，以其振動隨輸入軸角加速度遞增過程中的陡然增加，此時對應(yīng)的變速器輸入軸主激勵角加速度值為敲擊臨界值，具體如下圖4所示。

圖4 變速箱敲擊輸入軸角加速度臨界值

變速器敲擊臺架測試得到各擋位的變速器輸入軸角加速度臨界值曲線如下圖5，取同一轉(zhuǎn)速下各擋的臨界值最小值，線性擬合得到一條輸入軸角加速度臨界值隨發(fā)動機或變速器輸入軸轉(zhuǎn)速變化的直線。

圖5 變速箱敲擊輸入軸角加速度臨界值曲線

以該曲線為該變速箱敲擊發(fā)生的輸入軸角加速度臨界值曲線，即整車狀態(tài)下發(fā)動機主階次扭轉(zhuǎn)振動激勵經(jīng)離合器或飛輪扭轉(zhuǎn)減振器衰減后，傳遞至變速器輸入軸的扭轉(zhuǎn)角加速度值不超過臨界值曲線，變速器不發(fā)生敲擊。

2.3 整車下變速器敲擊測試分析

為評估該變速器在整車下實際的敲擊表現(xiàn)，并客觀對比輸入軸角加速度值與敲擊臨界值，需完成整車動力總成扭轉(zhuǎn)振動試驗。

以搭載該DCT變速箱的某汽油三缸發(fā)動機SUV為研究對象，為有效衰減隔離發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動激勵，避免變速箱敲擊，該車采用帶離心擺式吸振設(shè)計、大轉(zhuǎn)角小扭轉(zhuǎn)剛度的雙質(zhì)量飛輪。在變速箱手動模式下，完成各檔不預(yù)掛、預(yù)掛高一級檔位與低一級擋位，整車低油門、中油門及全部油門踏板開度加速的變速器敲擊測試與主觀評價，加速過程需從某一擋時發(fā)動機能維持的最低轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速或最高安全車速，同步采集飛輪、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，變速器殼體振動加速度及車內(nèi)聲壓級信號。

處理各測試工況下發(fā)動機飛輪、輸入軸1.5階激勵的扭轉(zhuǎn)振動加速度值，并對比輸入軸角加速度與該變速器敲擊臨界值。下圖6為4擋預(yù)掛3擋，三種油門開度加速工況下的變速箱輸入軸1.5階扭轉(zhuǎn)振動角加速度值對比。圖中顯示變速箱輸入軸1.5階扭轉(zhuǎn)振動角加速度值全轉(zhuǎn)速段內(nèi)遠低于變速器敲擊臨界值。

圖6 變速箱輸入軸角加速度與敲擊臨界值對比曲線

對所測各工況，分析對比得到變速箱輸入軸1.5階扭轉(zhuǎn)振動角加速度值均遠低于敲擊臨界值，且駕駛評估該車無變速箱敲擊發(fā)生，主觀評分8.0分。

變速箱輸入軸扭轉(zhuǎn)振動角加速度值均遠低于該變速箱敲擊臨界值，說明該車所配的DMF具有對發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動激勵有效的隔離衰減能力。為簡化該DMF結(jié)構(gòu)，同時降低其使用成本，且使整車變速器不產(chǎn)生敲擊，嘗試去除離心擺式吸振設(shè)計，完成上述相同工況的扭振測試與主觀駕評。

對比所有各工況的變速器輸入軸1.5階扭振數(shù)據(jù)，其角加速度值整體上呈增加趨勢，在個別發(fā)動機轉(zhuǎn)速段內(nèi)接近甚至超出變速器敲擊臨界值，除4擋預(yù)掛3擋、4擋預(yù)掛5擋部分油門開度加速時，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速段，主觀上能聽見變速器有輕微敲擊，主觀評分分別為6.0分與6.5分，其余加速工況下，變速器無敲擊，主觀評分至少7.0分。

下圖7為車輛4擋預(yù)掛3擋加速時的輸入軸角加速度與敲擊臨界值的對比，變速器輸入軸1.5階角加速度值在部分油門與全油門加速時，整體上越來越接近變速器敲擊臨界值。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速約1300rpm，有明顯角加速度峰值，其中在全油門加速時，變速器輸入軸1.5階角加速度值超出臨界值，但因發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升較快，且發(fā)動機噪聲掩蓋，車內(nèi)未聽見變速器敲擊，主觀評分8.0。

圖7 變速箱輸入軸角加速度與敲擊臨界值對比曲線

針對車輛在4擋預(yù)掛3擋、4擋預(yù)掛5擋部分油門開度加速時的變速箱敲擊，使變速器離合器轉(zhuǎn)速帶有約40-50rpm微小滑移，可以得到有效優(yōu)化解決。下圖8為變速器4擋預(yù)掛3擋，部分油門開度加速時，實測的不同離合器轉(zhuǎn)速微滑移的變速器輸入軸角加速度與變速器敲擊主觀評價對比。

圖8 不同離合器轉(zhuǎn)速微滑移的變速器敲擊對比

3 總結(jié)

先通過臺架模擬發(fā)動機激勵，完成某6擋雙離合器式變速器敲擊試驗，確定了其敲擊發(fā)生的輸入軸角加速度臨界值；再某車輛匹配帶有離心擺式吸振器的雙質(zhì)量飛輪，對比實際測得的變速器輸入軸角加速度值與敲擊臨界值，確認其角加速度值均遠低于敲擊臨界值，且無變速箱敲擊；最后采用不帶離心擺式吸振器的雙質(zhì)量飛輪，整車測得的變速器輸入軸角加速度呈增加趨勢，除個別工況加速時，變速器產(chǎn)生輕微敲擊。但采用變速器離合器轉(zhuǎn)速帶約40-50rpm微小滑移措施，得到優(yōu)化解決，其余加速工況下，變速器無敲擊。

基于實際測試與對比分析，本文所述流程，從有效控制變速器敲擊，同時進一步簡化雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)，如去除離心擺式吸振器，甚至采用單質(zhì)量飛輪，為降低其成本角度提供了實際參考。