基于Simulation X傳動系統Rattle問題分析與研究

林春鵬，張小坤，董偉

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著消費者對汽車駕乘舒適性要求的提高，動力總成聲音品質開發成為極其重要的一個環節。而對于傳動系統，變速器的齒輪敲擊噪音也成為影響整車NVH性能的重要一項。

在項目開發過程中，開發人員在車輛主觀評價時，經常會遇到傳動系統產生敲齒噪音的情況；如果在項目中后期調整齒輪參數將是非常困難的，而且成本相當高昂；只能通過優化離合器扭轉減震器參數（主要是剛度和阻尼）的方式進行調節；而離合器吸收扭轉振動的能力也無法不斷被強化。它受到空間尺寸和零部件可靠性的限制。超出一定范圍，只能通過增加整車成本，采用廣角離合器或雙質量飛輪解決。如果等到項目中后期切換技術方案，無疑會相當被動，可能會導致項目延期，并產生很大的資源浪費。這是每一個項目管理者最不愿意看到的。而本文介紹的方法恰恰能在可行性分析階段，通過虛擬仿真的方式，提前幫助選定技術方案，從而為解決此問題提供新的思路。

本文以某車型變速器齒輪Rattle噪音分析為案例，進行詳細研究說明。

首先闡述Rattle噪音產生的機理； 再利用Simulation X軟件對整個車輛，特別是傳動系統進行詳細建模；而后，選取影響Rattle噪音的特征參數進行優化并在虛擬環境下進行仿真再現；最后利用 LMS設備對實車進行傳動系統扭振測試，以驗證仿真效果。關鍵詞：變速器；剛度；齒輪側隙；敲齒

1 Rattle噪聲產生的機理

傳統內燃機在燃燒過程中，由于存在氣體壓力的變化和活塞往復運動產生的慣性力，使得發動機扭矩呈現出周期性脈動變化，經由離合器傳遞到變速器嚙合齒輪。齒輪副間存在必要的側隙，以便容納潤滑油膜，非承載齒輪則處于隨動狀態，這勢必引起齒輪的敲擊。齒輪副的敲擊振動，通過軸承傳至變速器殼體，再經由懸置系統、換擋拉索、離合器油管等結構件傳遞到駕駛室內引起振動噪音；另一方面，敲齒振動可通過空氣傳播，經由變速器殼體輻射，再由防火墻傳遞至車內。（此方面本文不涉及）

圖1 整車模型圖

2 建立Simulation X整車模型

本文以華晨汽車研究院某5速手動車型為研究對象，分別建立發動機模型、離合器模型、變速器模型及車輛模型等子模型，將所有相關的子模型進行搭載，搭載后的整車模型見見圖1所示。

因離合器為主要考察對象，需將離合器組件進行詳細的參數設置，模型中離合器特征參數設置見圖 2，Stiffness k=18.5Nm/°，Damping b=20 Nms/°。

手動變速器各檔位齒輪側隙設置見圖 3，如 Rotational Backlash jt=0.1mm。

圖2 離合器特征參數設置

圖3 變速器齒輪副側隙設置

3 仿真分析

3.1 優化離合器參數（剛度和阻尼）

利用Simulation X的周期性穩態分析功能，輪胎模型使用剛性傳動替代，不考慮汽車的摩擦、風阻等載荷，只需添加補償參數。由于只是考慮四檔下全加速工況，因此彈簧剛度阻尼僅考慮主減震段正角度即可。阻尼根據公式a*sqrt(k)，來近似計算，其中a的取值與結構材料、阻尼等特性有關，如果是金屬軸，則a取0.005～0.01，高彈性材料取0.1～0.25，結構接觸系數取0.05～0.15，為了對比不同阻尼參數的仿真結果，離合器阻尼系數a取0.007～0.5。

圖4 離合器參數優化前輸入軸扭振幅值響應

圖5 離合器參數優化后輸入 軸扭振幅值響應

圖4為離合器參數優化前輸入軸扭振幅值響應曲線（離合器剛度 18.5，阻尼 20），由分析結果可知優化離合器參數前輸入軸轉速為2519rpm時，其角加速度響應為724rad/s^2。

圖5為離合器參數優化后輸入軸扭振幅值響應曲線（離合器剛度 13.2，阻尼 32），由分析結果可知輸入軸角加速度響應下降明顯，其值為 535rad/s^2，并且其共振峰值轉速由之前的2519rpm下降到了2200rpm。

3.2 優化變速器齒輪側隙

通過模型仿真得到圖6，可見在四檔WOT工況下，2檔齒輪副的法向敲擊力最大，頻率最高。故通過減小2檔齒輪側隙對其敲擊力進行降低。圖7是2檔齒輪側隙為0.1時的仿真結果，圖8是2檔齒輪側隙為0.06時的仿真結果，法向敲擊力由1600N下降到1400N。可見，通過減小齒輪副側隙可以減小法向敲擊力幅值。

圖6 四檔全油門工況下各齒輪副法向敲擊力幅值及敲擊頻率

圖7 離合器參數優化前輸入軸扭振幅值響應

圖8 離合器參數優化后輸入 軸扭振幅值響應

4 試驗驗證

準備兩套變速器離合器，分別為優化前后兩種狀態，先后裝配在同一車輛上利用 LMS設備對實車進行扭振對比測試。具體方法是在飛輪齒圈和輸入軸二檔齒輪處裝轉速傳感器，對車輛進行四檔WOT操作，并進行數據采集，采集后整理得到如下結果：

圖9 優化前樣件輸入軸轉速波動

圖10 優化后樣件輸入軸轉速波動

由圖 9-12可見，優化后的方案將輸入軸扭振峰值由770rad/s^2降低到 570rad/s^2，共振區域由 2560rpm將到2200rpm。通過主觀評價，四檔加速敲齒問題大為改善。

圖11 優化前樣件輸入軸角加速度波動

圖12 優化后樣件輸入軸角加 速度波動

5 總結

本文通過對Rattle噪聲產生的機理和變速器敲齒過程進行分析，基于Simulation X建立整車模型，通過優化離合器參數（阻尼和剛度）及減小齒輪側隙來降低齒輪敲擊力并改善變速器Rattle噪音的效果。通過上述試驗及仿真分析得出以下結論：

（1）增大離合器阻尼有利于衰減發動機轉速波動，降低共振轉速。

（2）在滿足離合器耐久的前提下，減小離合器剛度有利于降低輸入軸加速度響應幅值。

（3）適當減小齒輪側隙，可以減小齒輪法向敲擊力幅值。

參考文獻

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