變速器輸出端起步粘滑異響分析與改進措施

楊 朝，張 軍，沈 蜜，萬 鑫，曾 波，楊 誠

（1.重慶大學 汽車協(xié)同創(chuàng)新中心,重慶400044；2.重慶長安汽車股份有限公司歐尚研究院，重慶400023）

粘滑摩擦是一種自然界中普遍存在的復雜現(xiàn)象并且廣泛地存在于機械工業(yè)中，如軸承、機床以及汽車制動系統(tǒng)中經常由于粘滑摩擦而引起零部件性能衰減等問題。同時粘滑現(xiàn)象也普遍存在于我們的日常生活中，比如沾水的手擰動玻璃瓶時發(fā)生周期性振動噪聲。通常將在特定的條件下，兩個接觸表面間周期性出現(xiàn)粘滯-滑動現(xiàn)象且二者產生的摩擦力不是一個定值的振蕩摩擦現(xiàn)象稱之為粘滑現(xiàn)象。在現(xiàn)代交通運輸領域相互接觸的旋轉體結構廣泛應用于動力傳動系統(tǒng)中，在實際工作狀態(tài)下經常由于旋轉摩擦而產生粘滑振動及噪聲而這些由摩擦誘發(fā)的粘滑振動會對存在摩擦結構的系統(tǒng)產生嚴重的影響，如剎車、離合器以及其它機械工具。一般地，摩擦誘導產生的不穩(wěn)定振動通常都是自維持振動，如自激勵振蕩，對于粘滑振蕩現(xiàn)象可采用單自由度質量塊-彈簧模型、懸臂梁-摩擦盤等簡化物理模型進行說明[1-2]。粘滑誘發(fā)的噪聲異響問題很多，如輪轂軸承、雨刮、伸縮花鍵、螺紋緊固連接粘滑異響等。曾繁龍等對汽車裝配過程中螺紋緊固連接過程中產生的粘滑現(xiàn)象進行分析[3-4]。。同濟大學Meng Huang[5]對汽車雨刮系統(tǒng)中存在的粘滑振動建立物理模型并分析了粘滑運動對系統(tǒng)的影響。Winston Spencer等[6]就對傳動系統(tǒng)中伸縮花鍵的粘滑現(xiàn)象進行了臺架實驗分析發(fā)現(xiàn)在花鍵伸縮過程中存在粘滑現(xiàn)象并通過添加油脂的方法解決了該問題。

通過對某車型在動力傳動系統(tǒng)中出現(xiàn)的異響問題進行分析，發(fā)現(xiàn)在起步過程中所產生的異響是由于變速器與聯(lián)軸器接觸面間由于旋轉摩擦誘發(fā)粘滑異響。通過理論計算粘滑發(fā)生的可能性并建立簡化物理模型分析粘滑運動模式最終采用在接觸結合面間添加特制減摩墊圈的方向有效消除了起步異響。同時提出多種工程化方案因素對后續(xù)車型開發(fā)以及傳動系統(tǒng)中類似結構的異響消除都有重要指導意義。

1 問題描述

某車型在進行整車NVH性能評價中，在起步過程中可以明顯感受到除換擋沖擊引起的沖擊聲外還伴隨一聲或兩聲短暫、尖銳“咔噠”異響聲。為了確定異響源，運用現(xiàn)場實時評價與異響數(shù)據采集離線回放相結合的主觀評價方法進行異響源查找。通過主觀評價初步判定該異響聲音來自于底盤變速器輸出端與聯(lián)軸器結合區(qū)域，如圖1中橢圓區(qū)域所示。

圖1 起步異響發(fā)生區(qū)域

為了進一步確定異響源位置，在變速器輸出端殼體部位布置加速度計并采用專業(yè)振動噪聲測試設備進行振動噪聲數(shù)據采集分析同時通過CAN 總線采集發(fā)動機轉速、發(fā)動機指示真實扭矩等信息，測試框圖如圖2所示。

從變速器輸出端加速度時域振動特性圖中,如圖3所示，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)下，在第51 s時刻由空檔掛入1檔準備起步時產生掛擋沖擊現(xiàn)象振動幅值約3 g。在第52 s時刻離合逐漸結合發(fā)動機轉速、指示扭矩升高加速度計振動幅值開始增大。在第53 s時刻發(fā)動機轉速1 391 r/min、發(fā)動機指示真實扭矩為23%時振動幅值突變其幅值與掛擋沖擊相當出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象并產生“咔噠”起步異響。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

圖3 變速器輸出端加速度時域振動特性

2 起步異響排查及因素控制

根據主觀評價起步異響發(fā)生在變速器輸出端區(qū)域附近，因此考慮從與變速器輸出端相關聯(lián)部件進行排查。在起步過程中異響可通過空氣、結構傳遞至車內具體傳遞路徑如圖4所示，可以考慮從異響源和傳遞路徑方向進行排查控制。

圖4 變速器輸出端異響傳遞路徑

根據變速器輸出端聯(lián)接結構，如圖5所示，可以看出變速器的輸出端與聯(lián)軸器之間通過花鍵連接并配合緊固螺栓固定且與變速器輸出軸軸肩相接觸，如圖5中橢圓所示。

圖5 變速器輸出軸結構示意圖

雖然在起步過程中扭矩主要通過花鍵進行傳遞，但是花鍵之間存在間隙且花鍵在扭矩作用下也會發(fā)生微小彈性變形，因此二者之間將產生相對位移。由于聯(lián)軸器與變速器輸出軸軸肩相接觸，因此在起步扭矩沖擊下有發(fā)生粘滑運動風險有必要對接觸接合面間的靜摩擦轉矩進行校核計算，計算公式如下

由于相互接觸面為圓環(huán)區(qū)域，因此對圓環(huán)區(qū)域上靜摩擦力進行積分可得整個圓環(huán)區(qū)域靜摩擦轉矩為

其中：

T為變速器輸出軸鎖緊力矩/N·m；

M為合接觸面最大靜摩擦轉矩，/N·m；

F為鎖緊螺母鎖緊力/N；

K為安全系數(shù)；

d為變速器輸出軸直徑/m；

f為單位面積最大靜摩擦力/N；

μ為圓環(huán)接觸結合面摩擦系數(shù)；

R為圓環(huán)接觸面外圈半徑/m；

r為圓環(huán)接觸面內圈半徑/m；

對于干摩擦表面，不同鋼材之間摩擦系數(shù)[7]如表1所示。

根據變速器輸出端與聯(lián)軸器緊固螺栓扭矩、接觸面干摩擦系數(shù)、接觸面尺寸等參數(shù)計算接觸面最大靜摩擦轉矩約為50 N·m，而在1檔起步工況下變速器輸出扭矩為588 N·m 遠大于靜摩擦轉矩，易產生粘滑摩擦異響。根據接觸結構特點綜合分析可從3個方面進行變速器輸出端異響因素分析：

表1 摩擦系數(shù)表

1）起步扭矩沖擊

2）粘滑摩擦異響

3）傳遞路徑衰減，如圖6所示。

圖6 變速器輸出端異響控制因素

2.1 起步扭矩沖擊因素控制

（1）傳動間隙因素：傳動間隙不合格易造成車輛在加減速過程中產生異響。因此需要對傳動系統(tǒng)中伸縮套、萬向節(jié)、主減等關鍵部位進行傳動間隙測量。

（2）離合器因素：離合器由壓盤總成和從動盤總成組成主要性能參數(shù)有摩擦系數(shù)、扭矩能力、扭轉剛度和阻尼值等，減振功能主要由扭轉剛度和阻尼值所決定。扭轉剛度越小，共振峰值越小共振頻率也越低；阻尼值越大，共振峰越小但共振頻率無明顯影響。

（3）電噴數(shù)據因素：電子控制單元（ECU）是一個微計算機匯集了各個傳感器信號。發(fā)動機在工作過程中ECU根據轉速、節(jié)氣門位置等信息來控制燃油噴射。因此可通過修改ECU 中控制參數(shù)來改變油門響應特性曲線實現(xiàn)發(fā)動機輸出扭矩變化更平穩(wěn)、更偏舒適性以減少起步扭矩沖擊。

2.2 粘滑摩擦控制因素控制

對于粘滑現(xiàn)象可以采用彈簧-質量的簡化物理模型進行說明，如圖8所示。彈簧-質量系統(tǒng)在以恒定速度運動的粗糙表面產生往復振蕩運動，假設接觸界面的摩擦類型為干摩擦并且其摩擦特性符合庫倫摩擦。

圖8 彈簧-質量塊簡化模型

根據此摩擦模型質量塊的運動模式可分為兩類[8-10]：

（1）粘滯運動：在特定的時間間隔內，質量塊和基面保持相同的運動速度；

（2）滑動運動：質量塊和基面具有不同的運動速度。質量塊在基面上的位置用x(t)表示，則該系統(tǒng)運動方程可表征為

其中：

k為彈簧剛度；

m為帶速；

x為質量塊位置；

f為質量塊與基面間的摩擦力；

當系統(tǒng)處于滑動模式時，界面間的摩擦力與相對滑動速度v(t)-(t)相關，則有

其中：

g為重力加速度；

μslip為摩擦系數(shù)；

v為基面運動速度；

由于采用簡化摩擦模型當系統(tǒng)處于滑動模式時，界面間摩擦力f=fslipmax=μslipmg。而當系統(tǒng)處于粘滯狀態(tài)時，質量塊運動速度與基面運動速度一致，即=v，因為運動速度一致則質量塊加速度也與基面加速度一致，即，則運動方程式（4）可改寫為

因此質量塊與基面間的摩擦力將不斷發(fā)生變化，但不可能超出最大靜摩擦力fstickmax范圍之外。由于基面運動速度是固定不變的，為常數(shù)，則有

綜上，當處于粘滯模式時質量塊隨基面一起運動 直 到x(t)=(μ_stickmaxmg)?k時粘滯模式結束。在粘滯模式中粘滯摩擦力隨彈性力增加而增加至fstickmax。當彈性力達到最大靜摩擦力fstickmax后，系統(tǒng)開始進入滑動模式此時彈性力等于滑動摩擦力fslipmax，當彈性力小于最大靜摩擦后，系統(tǒng)又重新進入粘滯模式，因此系統(tǒng)將在粘滯-滑動模式中進行往復振蕩。根據對簡化模型的粘滑運動分析可知，粘滑運動與界面間的靜、動摩擦系數(shù)、質量塊重量（即正壓力）等密切相關。

為了確定變速器輸出端與聯(lián)軸器接觸界面間是否有粘滑現(xiàn)象存在，將變速器輸出端與聯(lián)軸器拆開觀察內部情況發(fā)現(xiàn)變速器輸出軸端面與聯(lián)軸器端面存在相對摩擦現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 變速器輸出軸內端接觸結合面

雖然力矩傳遞是通過變速器輸出軸上的外花鍵與聯(lián)軸器內花鍵配合傳遞，但是也同樣存在配合間隙且聯(lián)軸器內花鍵在輸出軸起步扭矩沖擊下會產生微小彈性變形，因此在配合間隙和微小彈性變形綜合作用下二者將會產生微小的相對位移，易誘發(fā)粘滑振動而產生異響。為了進一步確認該異響問題是由于變速器輸出端與連軸器間旋轉粘滑產生，通過調整鎖緊螺栓的緊固扭矩并進行實車驗證，結果表明該起步異響與緊固扭矩有關，因此可進一步鎖定異響源為界面間的旋轉粘滑摩擦。

2.3 傳遞路徑衰減因素控制

（1）中間支撐因素：當傳動軸過長時需要中間支撐斷開并通過支撐裝置固定在車架結構上。要求具有補償傳動軸安裝誤差功能及適應發(fā)動機的彈性懸置引起的發(fā)動機竄動和車架變形所引起的位移功能。同時橡膠彈性元件還有吸收傳動軸振動、降低噪聲及承受徑向力的功能。

（2）聯(lián)軸器因素：可將不同機構中的主動軸和從動軸牢固聯(lián)結起來一同旋轉并傳遞運動和扭矩的機械部件。聯(lián)軸器可兼有補償兩軸之間由于制造安裝不精確、工作時變形或熱膨脹等原因所發(fā)生的偏移以及緩沖、吸振的作用。

（3）萬向節(jié)因素：是實現(xiàn)變角度動力傳遞的機件用于改變傳動軸線方向的位置?？煞譃椴坏人偃f向節(jié)、準等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)。相較于另外兩類萬向節(jié)，等速萬向節(jié)則是始終以相等的瞬時角速度傳遞運動。

3 實驗驗證分析

根據簡化模型分析可知粘滑運動與界面間的動、靜摩擦系數(shù)有關。同時根據不同材料間的摩擦系數(shù)表可知在潤滑條件下動、靜摩擦系數(shù)改變量很小且相互之間過渡平穩(wěn)。為了驗證變速器輸出軸與聯(lián)軸器接觸面旋轉摩擦誘發(fā)粘滑異響，在接觸結合面間添加帶儲油微槽的特制減摩墊圈，以達到改變二者之間粘滑特性消除異響目的，如圖10所示。

圖10 特制減摩墊圈

在加裝減摩墊圈后再次進行主、客觀評價測試。

主觀評價表明異響現(xiàn)象消失同時對比加裝減摩墊圈前后客觀測試數(shù)據結果，如圖11（a）、圖11（b）所示。

加裝減摩墊圈之后有正常掛擋沖擊，在起步過程中發(fā)動機轉速升高所引起的齒輪嚙合振動幅值變大，如左右兩側橢圓所示，而除此之外與原車相比較再也沒有振動幅值突變現(xiàn)象出現(xiàn)，起步異響特征消失。

4 變速器輸出端異響控制工程化因素

從前面粘滑理論分析可知接觸結合面的設計參數(shù)，如摩擦系數(shù)、正壓力等對粘滑運動規(guī)律影響很大。因此，對于該粘滑異響的控制可以從五個方向進行：

（1）減小花鍵配合間隙使配合面不發(fā)生粘滑現(xiàn)象。

（2）適當減小緊固鎖緊力以減小正壓力使配合面不發(fā)生粘滑異響。

（3）改變配合面間的摩擦特性使得發(fā)生粘滑時不足以產生異響。

（4）改變配合結構將軸花鍵改成面花鍵徹底消除粘滑發(fā)生條件。

（5）用增強車身密封性等手段阻隔異響傳遞路徑。

通過對異響控制措施改善情況、改善措施成本、工程化可實施性以及可靠耐久性等綜合分析，采用在接觸面增加減摩墊圈的措施進行異響控制最為簡單有效。

5 結語

隨著汽車發(fā)動機性能的不斷提升，車輛在起步過程中因輸出扭矩增加而產生的旋轉摩擦粘滑異響會更加突出。而對于新能源車型，由于驅動電機輸出扭矩更大傳動系統(tǒng)中的粘滑現(xiàn)象也將更明顯。

（1）本文針對該車型具體問題通過進行異響源主觀識別與客觀計算校核確定異響源位置。并建立簡化物理模型分析了動、靜摩擦系數(shù)、正壓力等因素對粘滑現(xiàn)象的影響。

圖11 加裝減摩墊圈前后客觀測試數(shù)據結果

（2）通過在接觸界面處添加特制墊圈改變接觸界面動態(tài)特性，減小在靜、動摩擦轉變過程中摩擦力改變量使其平穩(wěn)過渡有效抑制了起步粘滑異響的產生。

（3）提出了多種針對此類問題的工程化控制因素，對后續(xù)車型在開發(fā)設計過程中同類問題的規(guī)避具有重要指導意義。