某車型動力傳動Thud噪聲問題改善研究

虞健

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 20121)

0 引言

某車型造車過程中反饋某車型原地?fù)Q擋(D～R、N～R、R～D)在熱車情況下，能間歇性聽到敲擊聲從后排座發(fā)出。如果聲音品質(zhì)能在試生產(chǎn)階段得以優(yōu)化，將對之后量產(chǎn)整車的駕乘感受有一定幫助。聯(lián)合工程、質(zhì)量對噪音進(jìn)一步評估，分析此噪音為Thud。

1 問題分析

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

為滿足客戶日益增長的動力性需求，發(fā)動機(jī)動力性持續(xù)提高。發(fā)動機(jī)輸出扭矩波動和轉(zhuǎn)速波動也隨之增大。由于變扭器衰減能力的限制，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸入到變速箱的扭矩波動越來越大，輸出扭矩波動和轉(zhuǎn)速波動也隨之增大。原地?fù)Q擋過程中，發(fā)動機(jī)扭矩克服螺母與法蘭，法蘭與變速箱輸出軸的摩擦力，引起花鍵敲擊(敲擊噪音頻率范圍在30 Hz～200 Hz)，通過傳動系傳遞到后差速器模塊，并通過結(jié)構(gòu)傳聲到車內(nèi)。

1.2 影響因素

從變速箱Thud噪聲(原地?fù)Q擋(D～R、N～R、R～D))產(chǎn)生的機(jī)理及傳動路徑來分析。

由圖2整車動力流及扭矩傳遞路徑來看，聲源以及異響傳遞途徑經(jīng)發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動軸、差速器模塊。

圖2 整車動力流

影響Thud噪音的主要因素(如圖1)有：

圖1 變速箱Thud 噪聲影響因素魚骨圖

(1)發(fā)動機(jī)曲軸扭振波動傳導(dǎo)。

(2)變速箱離合器結(jié)合速率。

(3)變速箱輸出端，法蘭與輸出軸摩擦，引起花鍵敲擊產(chǎn)生噪音。

(4)整車隔聲性能不足、傳遞路徑衰減不足。

2 機(jī)理及措施研究

2.1 扭矩變化率

發(fā)動機(jī)2階曲軸扭振波動的傳遞是Thud噪音的激勵源。由標(biāo)定調(diào)整怠速轉(zhuǎn)速(650 r/min～750 r/min)，從而改變轉(zhuǎn)矩，Thud噪音都沒達(dá)到可接受的范圍內(nèi)。通過對比公司內(nèi)其他發(fā)動機(jī)及競品轉(zhuǎn)速波動情況，故障車型發(fā)動機(jī)和競品發(fā)動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速2階角加速度大小相當(dāng)。

2.2 離合器壓力控制

調(diào)節(jié)離合器結(jié)合速率到最慢。由于為D檔切換至R檔時的敲擊異響，變速箱結(jié)構(gòu)得知，涉及主要離合器D結(jié)合以及離合器E釋放，如圖3。具體通過標(biāo)定調(diào)節(jié)離合器充油速度以及壓力，調(diào)低離合器結(jié)合速度，但對改善Thud噪音沒有幫助。

圖3 變速箱動力流

2.3 調(diào)查間隙

從圖3變速箱動力流得知，D到R以及R到D的檔位切換過程中，可能產(chǎn)生間隙異響的位置為1(直接超速檔第三行星排)、位置2(輸出軸行星輪)以及位置3(傳動軸法蘭齒隙)。

在變速箱體以及傳動軸差速器模塊交界處布傳感器。由圖4測試結(jié)果顯示，在D檔切R檔以及R檔切D檔過程中，變速箱體內(nèi)異響相對于傳動軸差速器模塊附近聲音(200 Hz)頻次低。初步確認(rèn)，Thud異響來源于變速箱傳動軸差速器模塊結(jié)合面交界處。

圖4 變速箱體、傳動軸傳感器檢測結(jié)果對比

3 差異調(diào)查

確認(rèn)針對DR RD異響的WOW以及BOB車輛。(WOW為Thud異響最惡劣樣本，WOW為無Thud異響樣本。)

3.1 差速器模塊&傳動軸

對換WOW以及BOB車的差速器模塊以及傳動軸，確認(rèn)裝配過程以及接口無差異。油溫上升至60 ℃～80 ℃后，實(shí)測評估GMUTs結(jié)果：

(1)WOW車+BOB 差速器模塊&傳動軸，GMUTs 6.5；

(2)BOB車+WOW 差速器模塊&傳動軸，GMUTs 8。

評估結(jié)果表明，異響不跟隨差速器模塊以及傳動軸。排除差速器模塊&傳動軸為異響源。

注：常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，異響評分10分制，主觀感受GMUTs≥7符合整車廠出廠要求。

3.2 標(biāo)定以及軟件差異

檢查并在WOW車上測試不同版本的變速箱造車標(biāo)定。確認(rèn)標(biāo)定值對異響無影響。

由圖580%cal與100%cal標(biāo)定對比圖得，D到R，R到D 異響經(jīng)放大后均在700 Hz附近。檢查換擋時機(jī)策略控制以及換擋執(zhí)行控制標(biāo)定，兩版標(biāo)定并無區(qū)別。

圖5 由80%cal與100%cal標(biāo)定對比

3.3 變速箱

在熱車狀態(tài)(變速箱油溫80 ℃以上)確認(rèn)WOW和BOB車輛，進(jìn)行BOB&WOW車的變速箱&車輛ABA對換試驗(yàn)。由確認(rèn)表信息獲知主觀感知異響跟隨變速箱，客觀聲壓值也顯示異響跟隨變速箱。BOB變速箱聲壓值在0.03 Pa，WOW變速箱聲壓值在0.13 Pa，如表1。

表1 變速箱Thud 噪聲零件ABA確認(rèn)表

由2.3檢查間隙以及3.1差速器模塊及傳動軸排查結(jié)果指向潛在異響源為變速箱與傳動軸連接處。

同款變速箱在不同車上有不同半軸鏈接方式。異響車型變速箱輸出軸對比非異響車型變速箱，外部接口零件差異為增加法蘭以及螺母。

一臺類似輸出結(jié)構(gòu)ZF8at變速箱在BMW 330i有類似的Thud異響，主觀GMUTs評估為6.5。

以上兩項(xiàng)，再次輔證潛在異響源為變速箱與傳動軸連接處。

4 Thud異響根本原因分析

分析變速箱輸出軸接口零件法蘭及螺母的受力狀態(tài)，Thud異響解析，如圖6所示。

圖6 變速箱輸出軸接口與法蘭螺母端面受力分析

BOB：當(dāng)變速箱輸出軸法蘭、軸以及螺母在冷態(tài)，F(xiàn)r×r值低于輸出扭矩導(dǎo)致Thud異響。當(dāng)這些零部件隨著熱車溫度逐漸增高，產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)。F1螺母夾緊力增加到一定程度，F(xiàn)r×r大于輸出軸扭矩T，沒有Thud異響發(fā)生。

WOW：無論如何調(diào)節(jié)輸出軸法蘭、軸以及止退螺母、溫度。Fr×r值始終小于輸出扭矩造成Thud。

法蘭頸部與輸出軸間摩擦面上的粘滑運(yùn)動推進(jìn)力，是產(chǎn)生Thud異響的原因。推進(jìn)力貫穿差速器模塊以及尾部結(jié)構(gòu)懸掛乃至整車。

5 潛在措施原理

(1)當(dāng)輸出扭矩大于Fr×r時，降低摩擦系數(shù)，輸出軸/法蘭以及止退螺母可以自由運(yùn)動；

(2)增加F1，使得輸出扭矩不會超過Fr×r；

(3)降低F1，初期原地?fù)Q擋時，產(chǎn)生輸出推動扭矩/推動力，如此軸、法蘭以及止退螺母運(yùn)動互相靠近；

(4)減小法蘭頸部花鍵齒隙，降低摩擦面(輸出軸與法蘭頸)相對運(yùn)動。

6 措施原理的應(yīng)用及結(jié)果

6.1 在法蘭與止退螺母間加4 mm厚度鐵墊片

使用金屬墊片有助于增大止退螺母的預(yù)緊力F1。增大預(yù)緊力的同時，螺母不至于崩裂。

4 mm鐵墊片以及105 N·m螺母預(yù)緊扭矩下，Thud異響依然存在。

4 mm鐵墊片以及157 N·m螺母預(yù)緊扭矩下，Thud異響在熱機(jī)狀態(tài)下消失。經(jīng)多次嘗試(10組，每次操作D到R，R到D20余次)，Thud異響回歸，經(jīng)拆卸發(fā)現(xiàn)法蘭與墊片結(jié)合面磨損嚴(yán)重，如圖7。

圖7 止退螺母及金屬墊片

金屬墊片由于安裝位置的不確定性，使之帶來的預(yù)緊力隨使用程度不同，時效不同，狀態(tài)不穩(wěn)定。

6.2 輸出軸法蘭止退螺母扭矩與異響的關(guān)系以及調(diào)試

在同款不同的車上做對止退螺母增減扭矩的試驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。

表2 止退螺母預(yù)緊扭矩與Thud異響

如表2以及圖8所示，雖然調(diào)整止退螺母預(yù)緊力至極端情況(極大200 N·m，極小0 N·m)，可以改善Thud異響。但止退螺母的預(yù)緊扭矩太小，則不能起到自鎖作用，變速箱可能振動沿軸向移動，脫離原工作區(qū)，惡劣情況下會影響到傳動軸上所有零件的正常工作。如預(yù)緊扭矩太大，止退螺母則會崩裂，同樣產(chǎn)生功能失效。

圖8 變速箱扭矩輸出及同時止退螺母受力狀態(tài)

6.3 在原止退螺母內(nèi)螺紋上加黏合劑

在原止退螺母內(nèi)螺紋上涂抹適量Locktite 272，從而增加螺母安裝預(yù)緊力。WOW車輛：止退螺母安裝預(yù)緊力為110 N。整車評估Thud異響為GMUTs6。在WOW車上，嘗試使用帶Locktite272膠體的止退螺母，但并不改變安裝預(yù)緊力。膠液隔夜晾干，經(jīng)評估整車Thud異響大為改善，達(dá)GMUTs8+。

6.4 在輸出軸端面涂抹防卡潤滑劑

在車輛啟動以及原地?fù)Q擋初期，由于變速箱輸出軸需無阻滯地輸出扭矩帶動差速器模塊、后懸結(jié)構(gòu)工作，在法蘭頸部與輸出軸間摩擦面上涂抹防卡潤滑劑能有效降低摩擦。但考慮到有換新設(shè)計(jì)法蘭和螺母等措施的需求，僅在變速箱輸出軸端(圖9)加潤滑劑與兩端都加效果相同，同時耐久性能略優(yōu)。實(shí)測原WOW車輛GMUTs6，輸出軸端面經(jīng)防卡潤滑處理，Thud異響改善，GMUTs8+。

6.5 減小法蘭頸部花鍵齒隙

調(diào)整法蘭花鍵齒隙，以及齒厚(減小齒隙)，降低花鍵摩擦面的相對運(yùn)動。在原WOW車上，替換安裝小齒隙新花鍵零件，經(jīng)評估Thud異響有效降低。

6.6 普氏矩陣

用質(zhì)量工具普氏矩陣法確認(rèn)長短期方案，如表3所示。

表3 綜合設(shè)計(jì)方案評估表

從一輪普氏矩陣評估結(jié)果來看。目前矩陣內(nèi)紅色項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)綜合評估得分低，不適宜用作解決措施。格狀顯示項(xiàng)可以組合成長短期措施加以應(yīng)用。

因此，對于Thud變速箱異響的短期措施如下：

(1)在輸出軸端面加注防卡潤滑劑；

(2)110 N·m預(yù)緊力止退加膠(locktite)螺母的使用。

長期措施為：新設(shè)計(jì)減小法蘭花鍵齒隙。

經(jīng)數(shù)月的多番設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證、釋放，終于在車輛量產(chǎn)前完成長短期措施內(nèi)所有新零件的同步定點(diǎn)、發(fā)布，從而整車聲音品質(zhì)得以有效提升。

7 結(jié)語

文中Thud變速箱異響的解決得益于可以從聲源角度(異響產(chǎn)生于變速箱外部法蘭結(jié)合面)展開可靠力學(xué)分析從而自聲源加以措施改進(jìn)聲音品控。而且大量變速箱異響由于從聲源查找或是設(shè)計(jì)改動不易，退而從改變聲音傳播途徑著手進(jìn)行分析、解決。從異響根除以及影響角度而言，找到聲源并從聲源降低異響是最為推薦的異響解決方案。提升整車聲音品質(zhì)的方案多種多樣?？傮w解決方案需綜合時間、成本等多項(xiàng)因素，同時也需要工程師在項(xiàng)目中的不斷積累以及團(tuán)隊(duì)合作。