雙離合變速器車傳動系統(tǒng)撞擊聲建模與仿真

張志軍，唐 禹，楊憲武，田 雄，徐建春

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶400000；2.長安汽車工程研究總院，重慶400000）

前言

雙離合變速器（dual-clutch transmission，DCT）擁有兩套離合系統(tǒng)，具備預(yù)掛擋功能，能夠?qū)崿F(xiàn)快速換擋。與自動變速器（automatic transmission，AT）相比，雙離合變速器在某擋位運行中，有更多的空套齒輪副，在受到?jīng)_擊轉(zhuǎn)矩激勵時，更易產(chǎn)生噪聲問題［1］。Clunk是指汽車傳動系統(tǒng)在受到突變轉(zhuǎn)矩時，系統(tǒng)內(nèi)部間隙部件間發(fā)生碰撞，而產(chǎn)生的一種金屬撞擊聲［2］。在Clunk的研究方面，Kiran Govindswamy等研究了后驅(qū)自動變速器車型傳動系統(tǒng)靜態(tài)換擋Clunk問題，找出Clunk可接受水平，對換擋品質(zhì)的提升給出指導(dǎo)意見［3］。Wan Joe Chen等基于臺架試驗研究了傳動系統(tǒng)在模擬階躍轉(zhuǎn)矩下的瞬態(tài)響應(yīng)，建立Adams模 型，得 出 與 試 驗 相 近 的 結(jié) 果［4］。Daniel Wehrwein等建立了變速器渦輪轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系的元模型，得出發(fā)動機轉(zhuǎn)矩管理最優(yōu)解，來改善傳動系統(tǒng)的Clunk問題［5］。Enrico Galvagno等建立雙離合變速器車型AMEsim模型和變速器有限元模型，分析換擋過程同步器動作和殼體的振動，通過改變齒輪慣量來優(yōu)化Clunk問題［6］。

本文中對比了Clunk降階模型的不足，建立了全階仿真模型，分析急踩油門（tip in）工況下系統(tǒng)的Clunk響應(yīng)。通過對比分析發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制、雙質(zhì)量飛輪剛度、阻尼、離合器輸出轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動半軸剛度等軟硬件參數(shù)對Clunk的影響，確定最佳的控制手段。

1 DCT傳動系統(tǒng)建模

1.1 DCT傳動系統(tǒng)構(gòu)造

圖1為該車型傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)動機曲軸末端連接雙質(zhì)量飛輪（dual-mass flywheel，DMF）初級慣量，雙質(zhì)量飛輪次級慣量連接離合器外殼，兩個輸入軸分別為奇數(shù)擋和偶數(shù)擋動力軸。動力通過中間軸、主減速器和半軸最終傳遞至車輪。

圖1 整車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

整個系統(tǒng)中存在的間隙為：擋位齒輪副（1～7擋、R擋）、第一主減齒輪副（FD1）、第二主減齒輪副（FD2）和差速齒輪側(cè)隙，以及半軸球籠內(nèi)接觸間隙。系統(tǒng)內(nèi)部間隙數(shù)量多，在突變轉(zhuǎn)矩激勵下，容易產(chǎn)生Clunk問題。

1.2 DCT傳動系統(tǒng)模型

根據(jù)模型復(fù)雜程度，傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模型可分為全階模型和降階模型。全階模型包含傳動系統(tǒng)可劃分的所有集中質(zhì)量參數(shù)，自由度數(shù)較多，模型較為復(fù)雜。降階模型［7］是對全階模型的簡化，根據(jù)經(jīng)驗忽略部分零部件參數(shù)，或?qū)⑵涞刃У较噜彶考希越档湍Ｐ妥杂啥?，減少計算量。對于Clunk的研究，多數(shù)采用降階模型，即僅考慮動力傳遞鏈上的間隙和部件，其他非承載部件等效到相關(guān)聯(lián)的承載部件上。但是降階模型不能計算非承載齒輪的沖擊，且可能造成等效部件計算的沖擊值大于理論值的情況。

圖2為三齒輪系統(tǒng)模型降階為二齒輪系統(tǒng)模型的示例。在算例中，3個齒輪慣量J0、J1、J2相同，且節(jié)圓半徑相同，在J0受到?jīng)_擊轉(zhuǎn)矩下，可分別計算出齒輪嚙合力F1與F2。將模型降階（J2慣量等效到J1）后，計算出新的嚙合力F3。圖3為2種模型的計算結(jié)果?？梢钥闯觯瑧T量等效后，主動齒輪J0受到的嚙合力F3會高于原理論值F1，且降階模型不能計算被等效齒輪J2的沖擊力F2。

圖2 三齒輪系統(tǒng)降階示意圖

圖3 三齒輪系統(tǒng)降階前后沖擊力計算值

針對以上情況，有必要建立傳動系統(tǒng)Clunk全階模型，計算所有間隙部件的實際沖擊情況，找出貢獻(xiàn)度較大的零部件。間隙部件之間采用間隙非線性剛度連接：在非接觸區(qū)，剛度為0，在接觸區(qū)，剛度為常數(shù)，如圖4所示。對于非承載齒輪，拖曳力矩影響其沖擊計算結(jié)果，不可忽略?？仗X輪的拖曳力矩包括軸承旋轉(zhuǎn)阻力矩和齒輪攪油阻力矩，攪油阻力矩的計算參照文獻(xiàn)［8］。傳動系統(tǒng)全階動力學(xué)模型示意圖如圖5所示。

圖4 間隙剛度模型

圖5 傳動系統(tǒng)全階動力學(xué)模型示意圖

整車Clunk模型共有17個自由度，其控制方程為

式中：J為慣量矩陣；C、K分別為阻尼矩陣和剛度矩陣，可以通過拉格朗日方程推導(dǎo)得出；θ為角位移向量，如式（2）所示；T為系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩向量，如式（3）所示。

式中：θf1、θf2、θIn2分別為雙質(zhì)量飛輪初級慣量、次級慣量、變速器輸入軸的角位移；θGi為第i從動齒輪角位移；θs、θt、θv分別為驅(qū)動軸、車輪、整車等效慣量的角位移。

式中：Te、Tc分別為發(fā)動機、離合器轉(zhuǎn)矩；TIn2、TGi、Tv分別為輸入軸、第i從動齒輪、整車阻力矩。

考慮模型的復(fù)雜程度，采用AMESim求解。AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，軟件內(nèi)置汽車傳動系統(tǒng)模型庫，元件種類豐富，且計算耗時少、效率高。在以上17自由度傳動系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，搭配或替換AMESim簡單懸架、輪胎、車身模塊，構(gòu)造更加詳細(xì)的仿真模型，AMESim模型如圖6所示。

圖6 DCT傳動系統(tǒng)AMESim模型

2 整車測試與模型精度校核

2.1 整車Clunk測試

為了分析Clunk產(chǎn)生規(guī)律，獲取發(fā)動機、離合器轉(zhuǎn)矩激勵，校核仿真模型精度，開展了基于整車的Clunk測試。測試工況為Clunk問題工況：擋位保持在4擋，車輛加速至較高發(fā)動機轉(zhuǎn)速后，松開油門使車輛滑行，待發(fā)動機轉(zhuǎn)速落在1 600～2 000 r∕min范圍內(nèi)時，急踩油門，出現(xiàn)Clunk，重復(fù)多次以上測試過程，取沖擊的平均水平。監(jiān)測信息包括：車內(nèi)主駕駛員右耳位置噪聲、變速器近場噪聲、變速器殼體振動、轉(zhuǎn)向節(jié)振動，以及整車CAN信號中的動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信息。為了觀察Clunk瞬間動力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的變化，進(jìn)行了驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩測試。驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩的測量采用PCB公司無線轉(zhuǎn)矩測試設(shè)備8180，該設(shè)備通過應(yīng)變片檢測軸的扭轉(zhuǎn)形變來獲取轉(zhuǎn)矩值，其供電和信號傳輸均為無線方式，質(zhì)量小，對軸的動不平衡影響小。圖7為車外測點分布示意圖。轉(zhuǎn)矩測試設(shè)備的安裝如圖8所示。

圖7 車外測點分布示意圖

圖8 轉(zhuǎn)矩測試設(shè)備安裝

測試結(jié)果如圖9所示，包含初級飛輪、輸入軸轉(zhuǎn)速、變速器殼體振動和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩。變速器輸入軸轉(zhuǎn)速在Tip in瞬間出現(xiàn)明顯的波動，且后期沒有和初級飛輪轉(zhuǎn)速同步。從變速器Z向振動可以看到，整個Tip in過程總共出現(xiàn)3次沖擊，分別對應(yīng)輸入軸轉(zhuǎn)速波動曲線的第1個波峰點及其前后的2個波谷點，表明Clunk與輸入軸轉(zhuǎn)速突變存在直接關(guān)系。同時，在變速器輸入軸轉(zhuǎn)速上升階段，半軸轉(zhuǎn)矩也存在階躍上升現(xiàn)象，由負(fù)轉(zhuǎn)矩突變?yōu)檎D(zhuǎn)矩。系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)矩的正負(fù)交替，將會使間隙部件從一側(cè)接觸轉(zhuǎn)為另一側(cè)接觸，該過程出現(xiàn)沖擊噪聲。

2.2 模型精度校核

將試驗條件下獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、離合器轉(zhuǎn)矩時域值作為激勵，代入傳動系統(tǒng)AMESim模型進(jìn)行計算，部分計算結(jié)果如圖9所示，測試曲線與仿真曲線具有相同時間跨度。仿真相對試驗的誤差，從初級飛輪轉(zhuǎn)速上升量、輸入軸轉(zhuǎn)速上升量、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩沖擊值和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩最大值4方面來衡量（見圖9中①～④），誤差對比如圖10所示?？梢钥闯鲆陨?個值的誤差均小于15%。雖然仿真模型不能計算變速器殼體振動，但是非承載輪沖擊力計算值同樣出現(xiàn)3次峰值，且對應(yīng)輸入軸轉(zhuǎn)速波動曲線的第1個波峰點及其前后的2個波谷點，該特征與殼體振動測試值特征相似。誤差對比結(jié)果和沖擊峰值時刻對比結(jié)果說明，仿真模型計算精度較高，可以用于后續(xù)的Clunk分析工作。

圖9 測試仿真結(jié)果曲線對比

圖10 測試仿真誤差分析

3 Clunk仿真結(jié)果分析

3.1 激勵-Clunk關(guān)系分析

前期仿真和試驗得出，Clunk與變速器輸入軸轉(zhuǎn)速波動直接相關(guān)。為了直觀了解輸入軸轉(zhuǎn)速波動的過程和原因，將整車傳動系統(tǒng)簡化為4自由度模型。此處僅是為了觀測系統(tǒng)內(nèi)部部件總體運動過程，而不是嚴(yán)格量化轉(zhuǎn)速波動的幅值，因此對模型進(jìn)行了簡化。將變速器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件視為一個部件，通過相對轉(zhuǎn)角標(biāo)記點判斷初級飛輪、次級飛輪、輸入軸的相對運動關(guān)系，簡化后的觀測模型如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)主要部件運動關(guān)系簡圖

圖12為模型部分計算結(jié)果，包含轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、雙質(zhì)量飛輪相對轉(zhuǎn)角，共3組曲線。雙質(zhì)量飛輪相對轉(zhuǎn)角曲線中，灰色背景區(qū)域為初級慣量-次級慣量空行程區(qū)間，扭轉(zhuǎn)剛度為0。

圖12 系統(tǒng)主要部件運動關(guān)系簡圖

根據(jù)3組曲線變化特征，將Tip in整個過程劃分為4個階段。1階段為Tip in前期的滑行階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩小幅度緩慢降低，由驅(qū)動變?yōu)榉赐希p質(zhì)量飛輪相對轉(zhuǎn)角由剛度區(qū)滑落至空行程區(qū)。2階段為Tip in克服雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)減振器空行程階段，此階段發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升，但是減振器彈簧未壓縮，減振器傳遞轉(zhuǎn)矩不大，后方離合器未發(fā)生滑摩。3階段為扭轉(zhuǎn)減振器進(jìn)入剛度區(qū)，由于彈簧壓縮，次級飛輪轉(zhuǎn)速迅速上升。變速器后方驅(qū)動軸開始承載一定驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，此階段離合器依然未發(fā)生滑摩，變速器輸入軸轉(zhuǎn)速與次級飛輪基本一致。4階段為離合器滑摩階段，此階段基礎(chǔ)油壓提供的離合器轉(zhuǎn)矩不足以驅(qū)動負(fù)載，離合器進(jìn)入滑摩狀態(tài)，盡管離合器油壓進(jìn)一步增大，仍未能使離合器鎖止。系統(tǒng)主要部件運動過程4個階段示意，分別如圖13所示。

圖13 系部件運動過程示意圖

3.2 系統(tǒng)間隙部件沖擊程度

為了分析系統(tǒng)內(nèi)部沖擊程度，差速齒輪沖擊、驅(qū)動軸球籠內(nèi)部沖擊用繞驅(qū)動軸線方向的力矩表示，其他齒輪的沖擊用嚙合力表示。圖14為非承載齒輪沖擊力計算結(jié)果，圖15為承載部件沖擊力（矩）計算結(jié)果?？梢钥闯鲎兯倨鞑糠铸X輪出現(xiàn)明顯的沖擊特征，而差速齒輪和球籠沖擊特征不明顯。為了方便對比空套齒輪與承載齒輪沖擊力幅值的差異，對齒輪嚙合力進(jìn)行高通濾波處理，提取沖擊力的峰值，如圖16所示。從齒輪沖擊力峰值看，明顯的沖擊現(xiàn)象不僅局限于發(fā)生在4擋齒輪、第1主減2對承載齒輪，還發(fā)生在3擋齒輪、第2主減等非承載齒輪。分析結(jié)果進(jìn)一步證明進(jìn)行全階模型分析的必要性。

圖14 非承載部件沖擊力計算結(jié)果

圖15 承載部件沖擊力（矩）計算結(jié)果

圖16 齒輪嚙合力峰值計算結(jié)果

4 Clunk敏感度分析與實車驗證

4.1 Clunk敏感度分析

根據(jù)3.1節(jié)分析結(jié)果，變速器輸入軸劇烈波動發(fā)生在Tip in過程的第3階段。此階段驅(qū)動力矩為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，傳遞力矩的部件為雙質(zhì)量飛輪、離合器、驅(qū)動軸，因此選取發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度與阻尼、離合器傳遞轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動軸剛度5個參數(shù)作為分析對象，分析其對系統(tǒng)沖擊的影響。為了評價整個系統(tǒng)Clunk總體情況，引入總體Clunk指數(shù)概念（overall clunk index），計算公式如式（4）所示［9］。

式中：CIoverall為總體Clunk指數(shù)；Fmax（i）為第i齒輪副在Tip in過程中產(chǎn)生嚙合力高通濾波后的峰值。

由于總體Clunk情況主要取決于沖擊排序靠前的齒輪副，因此采用二次方算法，更凸顯主要貢獻(xiàn)齒輪的效應(yīng)。圖17為總體Clunk指數(shù)對離合器傳遞轉(zhuǎn)矩、雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼、驅(qū)動軸剛度和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩斜率的敏感度分析結(jié)果。

圖17 Clunk敏感度計算結(jié)果

可以看出，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升斜率能夠有效降低總體Clunk，而離合器傳遞轉(zhuǎn)矩、雙質(zhì)量飛輪剛度、阻尼和驅(qū)動軸剛度，在參數(shù)分析范圍內(nèi)，對總體Clunk影響較小。這也說明了在車輛傳動系統(tǒng)瞬態(tài)沖擊研究中，降低激勵是控制沖擊的重要手段。

4.2 實車驗證

圖18為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升斜率降低為斜率2前后的實車測試結(jié)果對比。降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升斜率后，變速器殼體振動沖擊峰值降幅約35%，降低比例與計算結(jié)果較為吻合。盡管降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升斜率使動力響應(yīng)變慢，但是經(jīng)過綜合評估，該變化程度不明顯，且僅針對4擋發(fā)生Clunk的工況進(jìn)行調(diào)整，對整車加速響應(yīng)的總體影響不明顯。

圖18 轉(zhuǎn)矩斜率調(diào)整前后殼體振動對比

5 結(jié)論

本文中建立雙離合車型傳動系統(tǒng)Clunk全階仿真模型，通過對比實車測試結(jié)果，證明模型具有較高的精度。

完成Tip in過程傳動系統(tǒng)部件運動情況分析，并計算間隙部件的沖擊力，得出發(fā)生沖擊較明顯的部件，同時證明非承載齒輪也發(fā)生較為明顯的沖擊。

完成系統(tǒng)總體Clunk對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、雙質(zhì)量飛輪剛度、阻尼、離合器傳遞轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動軸剛度的敏感度分析，計算結(jié)果和實車驗證結(jié)果表明，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升斜率是控制Clunk的重要手段。