基于Simulink的變速器Rattle影響因素分析與優化

徐勇，王洋，周立廷

(華晨汽車工程研究院NVH工程室，遼寧沈陽 110141)

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基于Simulink的變速器Rattle影響因素分析與優化

徐勇，王洋，周立廷

(華晨汽車工程研究院NVH工程室，遼寧沈陽 110141)

通過介紹某車型開發過程中產生的變速器敲齒問題，闡述了傳動系統NVH問題的產生機制和控制策略。在運用 Simulink 仿真對整車動力傳動系統進行了參數化優化和敏感度分析后，確定了加裝雙質量飛輪的方案，并通過實車測試驗證了該方案能夠有效解決變速器敲齒問題。

變速器； Rattle問題； 扭振； 扭轉模態 ；雙質量飛輪

0 引言

在動力傳動系統設計匹配中，變速器敲齒現象(Rattle)是經常會遇到的NVH問題，而敲齒噪聲會直接影響駕駛者對車輛品牌好壞的判斷。

Rattle產生的根源在于動力傳動系統的扭轉模態(一般為2階)被發動機扭矩波動所激勵而產生共振，并拖拽變速器內非承載齒輪副間發生撞擊[1]。因此可通過控制發動機扭矩波動、控制傳動系統扭振模態和優化齒輪設計3種手段來控制Rattle。在項目開發前期可通過虛擬樣機仿真和有限元等手段對Rattle問題進行預測和優化設計；而在項目開發后期，由于動力傳動系統已基本固化設計，只能通過扭轉減振器或雙質量飛輪等手段來解決Rattle問題。

Simulink是MATLAB提供的一種基于交互式框圖設計環境的可視化仿真工具，能夠實現動態系統和嵌入式系統多領域的仿真分析[2]。利用Simulink中的車輛傳動系統工具箱，可對傳動系統 Rattle 問題進行方便快捷的建模和優化分析。

在某自主品牌車型的開發過程中，試生產樣車存在明顯Rattle現象。在分析和解決該樣車Rattle問題的過程中，對相關分析流程、實驗方法和創新理論進行總結形成此文,供業內人士參考。

1 基本理論

沖程式發動機的工作方式導致發動機的輸出扭矩呈周期性變化，表現為動力輸出端一定的轉速波動。這一轉速波動會帶動動力傳動系統產生扭轉振動(以下簡稱扭振)，并驅使變速器內非承載齒輪副在允許的工作間隙內產生不規則的來回敲打現象，產生的噪聲通過空氣及車身傳遞至車廂內，即為 Rattle聲[3]。由于內燃機必然會產生扭振，所以變速箱Rattle現象是無法避免的，但可以通過控制扭振的強度使Rattle水平處于可接受的范圍內。

由共振原理可知，通過動力傳動系統整體的扭振特性分析，優化傳動部件的質量和剛度特性，使系統扭振固有頻率避開發動機常用轉速激勵頻率區間，是針對Rattle最直接有效的控制手段。動力傳動系統的扭振分析，實踐上一般都采用由廣義集中質量和等效扭轉彈簧連接的鏈狀軸系模型[4]。如圖1所示為四驅車動力傳動系統的簡化扭振模型示意圖。在扭振模型中，將所有與軸系連接的旋轉質量用具有一定轉動慣量的剛性圓盤來代替，并將所有的軸段用具有一定扭轉剛度的扭轉彈簧來代替。等效圓盤的轉動慣量和等效扭轉彈簧的剛度通過實際測量、數模計算等手段獲取。

圖1 動力傳動系統扭振分析模型示意圖

采用上述分析模型的動力傳動系統的扭振微分方程為

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2 問題描述

圖2 三擋全加速工況振動噪聲測試結果

在某自主品牌車型的開發過程中，主觀評價認為試生產樣車在各擋位下都存在明顯的敲擊噪聲，需要進行優化。圖2所示為樣車在三擋全油門加速工況下的變速器殼體振動和駕駛室內噪聲的測試結果，從中可以發現明顯的Rattle特征。為進一步鎖定問題特征，對樣車的變速器輸入軸進行了扭振測試，結果如圖3所示。從扭振測試結果中可以發現：各擋位下相對比發動機轉速2階的扭振曲線上都存在峰值，且峰值位置對應轉速隨著檔位升高而降低。綜上所述，樣車存在嚴重Rattle問題，問題根源是動力傳動系統的扭轉模態與發動機激勵產生共振。

圖3 二擋～五擋全加速工況扭振測試結果

3 Simulink仿真

為了解決樣車的Rattle問題，使用MATLAB中的Simulink模塊進行了模擬仿真優化。Simulink提供了車輛動力學集成通用工具箱，可將車輛動力傳動系統各部件離散成獨立的對象，并根據實際工作狀況進行封裝，使之成為有輸入和輸出的參數化模塊。在參照車輛實際參數對各子系統模塊進行設置后，按動力扭矩的傳遞過程將所有子模塊連接起來即組成整車模型。圖4所示為此研究樣車的整車仿真模型，其中各模塊主要參數通過臺架測試、經驗積累和CAE計算等手段獲得。

圖4 整車Simulink仿真模型

為了驗證該仿真模型的精確程度，首先利用該模型仿真計算了各擋位下變速器輸入軸的扭振，其結果曲線如圖5所示。由共振原理可知，結果曲線中峰值所對應的發動機轉速激勵頻率即為傳動系統的2階扭振固有頻率，其結果列舉在表1中。經過對比分析，仿真模型模擬計算的扭振頻率與幅值與實車測試結果基本一致。如圖5所示，根據以往研究中積累的主觀評價結果和客觀測試數據，按照Rattle問題的嚴重程度將扭振結果分為4個區域，研究的目的是將各擋位的扭振幅值控制在代表“察覺不到”虛線以下。

圖5 一擋～六擋全加速工況扭振仿真結果

表1 各擋位下傳動系統2階扭振固有頻率

為了避免扭振共振峰值的產生，需要將傳動系統的扭振固有頻率降低到發動機怠速激勵頻率之下。根據之前的理論介紹，選取了影響最大的幾個參數，針對扭振問題最明顯的三擋工況進行了敏感度分析，現分別介紹如下。

扭轉減振器剛度。扭轉減振器是指安裝在離合器從動盤上的扭轉彈簧，是最重要的扭振減振元件。為了分析其對扭振峰值的影響，在模型中分別將扭轉彈簧剛度增大20%、40%和減小20%、40%進行仿真，結果如圖6所示。結果表明：隨著減振器剛度的增加，傳動系統2階扭振固有頻率和扭振幅值都增大。

離合器摩擦因數。離合器從動盤摩擦片的摩擦因數同樣會影響扭振峰值的產生，選取不同的摩擦因數輸入到模型中進行仿真，結果如圖7所示。結果表明：增大摩擦因數會降低扭振共振峰值的幅值，但會使高轉速時的扭振惡化。

圖6 扭轉減振器剛度影響仿真結果

圖7 離合器摩擦因數影響仿真結果

輸入軸扭轉剛度。在模型中將輸入軸扭轉剛度分別增大50%和減小50%進行仿真，結果如圖8所示，表明輸入軸剛度對扭振無影響。

圖8 輸入軸扭轉剛度影響仿真結果

半軸扭轉剛度。在模型中將半軸扭轉剛度分別增大50%和減小50%進行仿真，結果如圖9所示。結果表明半軸剛度對扭振有輕微影響，其規律為扭振峰值頻率隨著剛度的增加而增大。

圖9 半軸扭轉剛度影響仿真結果

飛輪轉動慣量。在模型中分別將飛輪的轉動慣量增大20%、40%和減小20%、40%進行仿真，結果如圖10所示。結果表明：飛輪慣量對扭振有較大影響，其規律為扭振峰值的幅值隨著慣量的增加而降低。但增大飛輪慣量會影響發動機加速性能和動力傳遞的連貫性。

圖10 飛輪轉動慣量影響仿真結果

輸入軸質量。在模型中分別將輸入軸的質量增大20%、40%和減小20%、40%進行仿真，結果如圖11所示。結果表明：輸入軸轉動慣量對扭振有一定影響，其規律為慣量增大會使扭振峰值頻率降低。

圖11 輸入軸質量影響仿真結果

雙質量飛輪。雙質量飛輪把傳統飛輪的單慣性質量分解為兩個，并在兩個質量之間加裝取代離合器扭轉減振器的扭轉彈簧。雙質量飛輪具有良好的隔振和減振作用，可使2階扭振共振轉速限制在怠速轉速之下[5]。將雙質量飛輪模塊加入到模型中以驗證其效果，其仿真結果如圖12所示。結果表明：設計合理的雙質量飛輪會使扭振曲線完全處于代表“察覺不到”虛線之下，滿足設計要求。

仿真結果的綜合對比分析表明雙質量飛輪是最有效的改善手段。作者還對其他一些影響因素進行了仿真驗證，但對扭振的影響效果都不顯著，限于篇幅不予以介紹。

4 實驗驗證

根據仿真分析的結果，針對樣車的動力傳動系統進行了雙質量飛輪匹配開發，圖13所示為最終設計出的雙質量飛輪扭轉特性曲線。

圖14所示為對裝配有雙質量飛輪的樣車進行的各擋位扭振測試結果曲線，之前的扭振峰值全部消除。此外，振動和噪聲的客觀測試以及主觀評價結果表明樣車的Rattle問題已得到解決。

圖14 樣車匹配雙質量飛輪后扭振測試結果

5 結論

基于變速器Rattle問題的產生機制和控制手段，運用Simulink仿真進行了參數化分析和優化，最終確定了加裝雙質量飛輪的方案。實車驗證表明雙質量飛輪能夠有效地解決變速器Rattle問題。

【1】WANG M Y,MANOJ R,ZHAO W.汽車手動變速箱的齒輪敲擊模擬和分析[J].傳動技術，2002,16(4)：27-42.

WANG M Y,MANOJ R,ZHAO W. Gear Rattle Modelling and Analysis for Automotive Manual Transmissions[J].Drive System Technique,2002,16(4)：27-42.

【2】張化光，孫秋野.MATLAB/SIMULINK實用教程[M].北京:人民郵電出版社,2009.

【3】田雄，李宏成，盧先鋒，等.基于傳遞路徑實驗分析的變速器敲擊噪聲優化[J].振動工程學報，2010，23(6)：642-648.

TIAN X,LI H C,LU X F,et al.A Study on Transmission Rattle Noise Optimization Based on Transfer Path Test Analysis[J].Journal of Vibration Engineering,2010，23(6)：642-648.

【4】陳南.汽車振動與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社，2014.

【5】王立偉，江征風，胡偉，等.雙質量飛輪減振特性分析與試驗研究[J].機械設計與制造，2014(3):19-22.

WANG L W,JIANG Z F,HU W,et al.Analysis and Experiment on Vibration Damping Characteristics of Dual Mass Flywheel[J].Machinery Design & Manufacture,2014(3):19-22.

美蓓亞集團再度亮相軸承展

在華業績和發展信心雙攀升

精密零件生產廠家美蓓亞株式會社(以下簡稱美蓓亞)參加了9月20—23日在中國上海市舉辦的“2016中國國際軸承及其專用設備展覽會”。

美蓓亞集團作為日本第一家微型滾珠軸承專業生產廠家，創立于1951年。除在外徑為22 mm以下的滾珠軸承領域世界市場份額排名第一外，在飛機用桿端軸承、硬盤驅動器用樞軸組件、智能手機用薄型LED背光模組等領域也獲得了市場份額世界第一的業績。此外，集團還以超精密技術為核心，生產汽車風扇電機、傳感裝置等各類微型電機和精密電子零件。

對美蓓亞集團來說，中國是極為重要的區域，生產份額占集團總體的20%，銷售份額占35%。尤其，美蓓亞集團在中國的微型滾珠軸承及桿端軸承銷售業績持續攀升，連續15個季度刷新銷量紀錄，更于本年6月創造了月銷1億6 800萬套的歷史新高。其中，中國市場的外銷滾珠軸承占比超過50%，是美蓓亞集團內部最重要的市場之一。

特別值得一提的是，中國汽車整車廠家為應對改善燃耗和尾氣排放限制等要求，對EPS(電動助力轉向系統)和EGR(廢氣再循環閥)用軸承的需求大幅增加。2015年，美蓓亞集團提前完成軸承外銷任務，實現4年內銷售額翻3番的宏偉目標。今后美蓓亞集團針對中國車用軸承市場的銷售目標是在2020年之前銷售額再翻3番。

(來源：美蓓亞株式會社)

Influence Factors Analysis and Optimization Design for the Rattle Noise of Gearbox Based on Simulink

XU Yong,WANG Yang, ZHOU Liting

(NVH Section, Brilliance Automotive Engineering Research Institute,Shenyang Liaoning 110141,China)

The characteristics and mechanism of the gearbox rattle problem of a vehicle during its development phase were introduced.After performing parametrical optimization and sensitivity analysis via Simulink simulation on the vehicle driveline system, the dual-mass flywheel was selected as the most effective solution to gearbox rattle. This solution was verified through the real vehicle test.

Gearbox;Rattle problem; Torsional vibration; Torsional mode; Dual mass flywheel

2016-07-15

徐勇,男，博士，工程師，從事汽車NVH開發與優化。E-mail:xu.yong@brilliance-auto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.006

U463.212

A

1674-1986(2016)10-027-05