雙離合變速器齒輪敲擊的試驗(yàn)研究＊

馬安康 顧燦松, 袁兆成 王東

（1.吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 前言

汽車變速器的主要噪聲包括變速器嘯叫噪聲、齒輪敲擊噪聲、同步環(huán)接合噪聲、軸承噪聲等。其中變速器齒輪敲擊噪聲不僅易使乘客煩躁不安，還容易被誤認(rèn)為是變速器故障。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)變速器齒輪敲擊問(wèn)題進(jìn)行了研究[1-6]，然而大多都是針對(duì)手動(dòng)變速器齒輪，對(duì)雙離合變速器的研究較少。雙離合變速器由于換擋響應(yīng)快、省油、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外車企的青睞，因此對(duì)雙離合變速器齒輪敲擊的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。為此，針對(duì)雙離合變速器的齒輪敲擊現(xiàn)象進(jìn)行了整車與臺(tái)架試驗(yàn)的分析研究。

2 雙離合變速器齒輪敲擊試驗(yàn)

2.1 雙離合變速器基本參數(shù)

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)濕式雙離合變速器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含6個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋。1、3、5擋通過(guò)內(nèi)輸入軸驅(qū)動(dòng)，2、4、6、R擋通過(guò)外輸入軸驅(qū)動(dòng)。各擋位間的換擋均是通過(guò)同步器接合實(shí)現(xiàn)。倒擋齒輪、2擋齒輪、主動(dòng)齒輪處于常嚙合狀態(tài)，變速器處于2擋時(shí)，2擋齒輪依舊服務(wù)于該擋位，此時(shí)倒擋的同步器處于斷開狀態(tài)，而在倒擋時(shí)這種動(dòng)作剛好相反，2擋齒輪此時(shí)起到了改變動(dòng)力傳遞方向的作用。

圖1 雙離合變速器結(jié)構(gòu)示意

2.2 試驗(yàn)工況及傳感器布置

敲擊試驗(yàn)分為整車試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)兩部分，如圖2所示。整車試驗(yàn)在整車半消聲室的轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行，背景噪聲低于20 dB（A）,利用便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)HEAD采集駕駛員雙耳處及變速器近場(chǎng)噪聲，試驗(yàn)工況包括2、3、4、5擋的節(jié)氣門全開（Wide Open Throttle,WOT）工況和節(jié)氣門部分開（PartialOpen Throttle,POT）工況，通過(guò)整車試驗(yàn)確定易發(fā)生敲擊的工況，以便進(jìn)一步進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

臺(tái)架試驗(yàn)在傳動(dòng)系統(tǒng)半消聲室進(jìn)行，背景噪聲低于20 dB（A），利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)LMS采集數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)雙質(zhì)量飛輪與變速器連接，因?qū)ψ兯倨鼾X輪敲擊影響最明顯的是發(fā)動(dòng)機(jī)的2階激勵(lì)[1]，故將發(fā)動(dòng)機(jī)的2階激勵(lì)作為激勵(lì)源；在變速器前端、后端、左端、頂端布置近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)麥克風(fēng)（變速器坐標(biāo)與在整車上安裝時(shí)一致）；在變速器殼體大平面、軸承附近布置三向加速度計(jì)；在每個(gè)擋位齒輪處打孔布置磁電傳感器以獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)。設(shè)置了潤(rùn)滑油溫、激勵(lì)頻率、平均扭矩3個(gè)變量，研究每個(gè)變量下敲擊的遞變規(guī)律。

圖2 整車與臺(tái)架測(cè)試圖

3 變速器齒輪敲擊試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 整車試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)整車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400～1 800 r/min之間各擋位下均有明顯的敲擊聲。通過(guò)測(cè)取的駕駛員雙耳處噪聲與變速器近場(chǎng)噪聲發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速器近場(chǎng)同樣出現(xiàn)了與駕駛員雙耳處吻合的寬頻帶噪聲，由此可判定車內(nèi)敲擊聲來(lái)自于變速器敲擊噪聲。試驗(yàn)車型配置的是自動(dòng)變速器，試驗(yàn)時(shí)將各擋位鎖死進(jìn)行WOT試驗(yàn)，經(jīng)主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)4擋時(shí)敲擊現(xiàn)象最明顯，故對(duì)4擋WOT工況進(jìn)行重點(diǎn)研究。4擋WOT工況時(shí)的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，由圖3可看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)敲擊聲比較明顯，這可能是由于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的2階頻率正好激起傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，使得扭振振幅增大，進(jìn)而敲擊強(qiáng)度增大。

圖3 4擋全負(fù)荷加速測(cè)試結(jié)果

3.2 臺(tái)架測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)整車測(cè)試結(jié)果，選擇敲擊聲比較明顯時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1 500 r/min）作為臺(tái)架試驗(yàn)分析的主要轉(zhuǎn)速。由于敲擊噪聲在頻譜圖上呈現(xiàn)的是寬頻特性，故在進(jìn)行敲擊強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)排除發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)以及承載齒輪嘯叫的影響。在研究潤(rùn)滑油溫、激勵(lì)頻率、平均扭矩的影響時(shí)采用4擋1 500 r/min的工況，此時(shí)2階激勵(lì)頻率f與4擋齒輪的嚙合頻率（1階f1,2階f2,3階f3,4階f4）是不變的，對(duì)應(yīng)頻率如表1。

表1 階次頻率表

臺(tái)架試驗(yàn)所采用的雙離合變速器為雙輸出軸結(jié)構(gòu)，在評(píng)價(jià)敲擊強(qiáng)度時(shí)采用距兩個(gè)輸出軸軸承相等位置（即變速器左中位置）的X向、Z向振動(dòng)的RMS值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。為排除2階激勵(lì)頻率及齒輪嚙合頻率的影響，進(jìn)行了敲擊強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算頻率段R1、R2、R3的選取，如圖4a所示。與此同時(shí)使用帶阻濾波器對(duì)變速器左近場(chǎng)噪聲頻譜進(jìn)行濾波，濾出R1、R2、R3對(duì)應(yīng)的頻率段頻譜并分別進(jìn)行回放，發(fā)現(xiàn)變速器敲擊聲均比較明顯。由圖4b可看出，3個(gè)頻率段的振動(dòng)RMS值隨扭矩波動(dòng)幅值的變化趨勢(shì)基本相同，本文采用R3（3 584～4 648 Hz）的RMS值作為試驗(yàn)變速器的敲擊強(qiáng)度指標(biāo)。

敲擊閥值是研究變速器齒輪敲擊現(xiàn)象的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為此對(duì)4擋1 500 r/min工況進(jìn)行了敲擊閥值的主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)在扭矩波動(dòng)幅值為60N·m時(shí)，敲擊現(xiàn)象開始比較明顯。而在圖4b中，在扭矩波動(dòng)幅值為60 N·m時(shí)敲擊強(qiáng)度指標(biāo)值會(huì)有一個(gè)突變，所以結(jié)合主觀評(píng)價(jià)進(jìn)一步驗(yàn)證了敲擊強(qiáng)度指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

圖4 頻率段的選取

3.2.1 潤(rùn)滑油溫的影響

試驗(yàn)設(shè)置了40℃、60℃、80℃3個(gè)潤(rùn)滑油溫度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)平均扭矩為100 N·m，平均轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，激勵(lì)頻率為50 Hz，為觀察敲擊的遞變規(guī)律，扭矩波動(dòng)幅值為10～90 N·m，步長(zhǎng)為10 N·m。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出，變速器的敲擊強(qiáng)度隨潤(rùn)滑油溫度的升高而變強(qiáng)，這是由于潤(rùn)滑油溫度升高，粘度下降，使得空套齒輪所受的阻滯力矩變小[7]，進(jìn)而使得敲擊加劇，敲擊強(qiáng)度指標(biāo)值增大。

圖5 潤(rùn)滑油溫的影響

3.2.2 平均扭矩的影響

試驗(yàn)設(shè)置了50 N·m、100 N·m、150 N·m 3個(gè)平均扭矩，潤(rùn)滑油溫為60℃，扭矩波動(dòng)幅值變化為10～150 N·m，步長(zhǎng)10 N·m，其它參數(shù)設(shè)置與潤(rùn)滑油溫設(shè)置一致。當(dāng)平均扭矩為150 N·m，扭矩波動(dòng)大于100 N·m時(shí)，臺(tái)架出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，故只呈現(xiàn)10～90 N·m的測(cè)試數(shù)據(jù)。平均扭矩對(duì)變速器齒輪敲擊的影響如圖6所示，由圖6可看出，扭矩波動(dòng)幅值小于60N·m時(shí)，平均扭矩的變化對(duì)敲擊影響不大；在大于60 N·m時(shí)，整體上呈現(xiàn)出隨平均扭矩增大而敲擊加劇的趨勢(shì)。

圖6 平均扭矩的影響

3.2.3 激勵(lì)頻率的影響

通過(guò)ETPS（發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩脈沖模擬）對(duì)轉(zhuǎn)速與激勵(lì)頻率進(jìn)行解耦，驗(yàn)證是否在50 Hz處存在模態(tài)耦合現(xiàn)象。設(shè)置了36.7 Hz、50 Hz、83.3 Hz 3個(gè)激勵(lì)頻率，潤(rùn)滑油溫為60℃，其它參數(shù)設(shè)置與潤(rùn)滑油溫的一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，在扭矩波動(dòng)幅值較小（小于40 N·m）時(shí)，變速器齒輪敲擊強(qiáng)度隨激勵(lì)頻率的變化不明顯，當(dāng)扭矩波動(dòng)幅值大于40 N·m時(shí)，變速器齒輪敲擊強(qiáng)度隨激勵(lì)頻率的增大而減弱，在激勵(lì)頻率為50 Hz時(shí)未出現(xiàn)最大值。

圖7 激勵(lì)頻率的影響

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可知，潤(rùn)滑油溫、扭矩波動(dòng)幅值及激勵(lì)頻率對(duì)敲擊強(qiáng)度的影響比較明顯，而激勵(lì)的平均扭矩對(duì)敲擊強(qiáng)度影響較小。在實(shí)際解決變速器齒輪敲擊問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)降低潤(rùn)滑油溫度及提高空套齒輪所受阻滯力矩來(lái)減弱變速器齒輪敲擊強(qiáng)度；也可以通過(guò)降低扭矩波動(dòng)幅值等方法降低變速器輸入軸的扭矩波動(dòng)，進(jìn)而改善敲擊現(xiàn)象。

4 相干分析

為進(jìn)一步分析各擋空套齒輪對(duì)變速器齒輪敲擊的影響，可將變速器視作一個(gè)敲擊系統(tǒng)，6個(gè)前進(jìn)擋以及R擋的角加速度信號(hào)是系統(tǒng)的輸入，變速器殼體左中位置的振動(dòng)信號(hào)是系統(tǒng)的輸出。將各個(gè)擋位下空套齒輪的角加速度信號(hào)分別與變速器殼體左中位置三向振動(dòng)的X、Z向信號(hào)作常相干分析，進(jìn)一步求出各擋空套齒輪對(duì)變速器齒輪敲擊的貢獻(xiàn)量，從而確定出各擋空套齒輪對(duì)變速器齒輪敲擊的影響程度。圖8是2、3、4、5擋時(shí)各空套齒輪對(duì)變速器齒輪敲擊的貢獻(xiàn)量計(jì)算結(jié)果，由于X向、Z向計(jì)算結(jié)果只體現(xiàn)在數(shù)值上的不同，但是貢獻(xiàn)量排序一致，故只以X向計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

根據(jù)2、3、4、5擋的計(jì)算結(jié)果得出，對(duì)變速器齒輪敲擊貢獻(xiàn)量比較大的是：2擋時(shí)的4擋空套齒輪和3擋空套齒輪；3擋時(shí)的5擋空套齒輪和4擋空套齒輪；4擋時(shí)的3擋空套齒輪和6擋空套齒輪；5擋時(shí)的4擋空套齒輪和3擋空套齒輪。由上述分析可得，3擋空套齒輪和4擋空套齒輪對(duì)變速器齒輪敲擊的貢獻(xiàn)量較大，可以對(duì)3擋空套齒輪和4擋空套齒輪進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)以減弱敲擊現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)雙離合變速器齒輪敲擊問(wèn)題進(jìn)行了整車試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)，確定出在4擋WOT工況下的敲擊現(xiàn)象比較明顯。利用所提出的敲擊強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)潤(rùn)滑油溫、平均扭矩、扭矩波動(dòng)幅值及激勵(lì)頻率的影響進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，得出潤(rùn)滑油溫、扭矩波動(dòng)幅值對(duì)敲擊強(qiáng)度影響較大，通過(guò)降低潤(rùn)滑油溫、降低扭矩波動(dòng)幅值等方法可降低齒輪敲擊強(qiáng)度。通過(guò)相干分析得出3擋空套齒輪和4擋空套齒輪是該雙離合變速器齒輪敲擊現(xiàn)象的主要貢獻(xiàn)源，可通過(guò)改變其慣量、側(cè)隙等方法減弱敲擊現(xiàn)象。

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