雙離合變速器臺架敲齒試驗研究

張 偉，柯 意

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

雙離合自動變速器因傳動效率高、換擋速度快以及技術相對簡單等優勢，在國內自主研發變速器領域占據了重要地位。雙離合自動變速器在運行時會產生嘯叫和敲擊噪聲，敲擊噪聲是變速器非承載常嚙合齒輪在發動機扭振作用下產生的齒面沖擊現象，具有噪聲級階躍的特點[1]，會對變速器整體噪聲產生較大影響。

鄧慶斌等[2]采用定性研究方法，分析了離合器剛度、傳動軸剛度、輸入軸慣量等參數對齒輪敲擊的靈敏度，為敲擊噪聲控制給出建議。郭棟等[3]進行了手動變速器臺架敲擊試驗，結果表明發生敲擊時變速器近場噪聲上升3～5 dB，殼體振動加速度也明顯上升。馬安康等[4]通過整車測試確定了濕式雙離合變速器敲擊噪聲的典型工況，采用該工況進行臺架試驗，分析了油溫、平均扭矩和激勵頻率對敲擊強度的影響，用相干分析確定了各空套齒輪對敲擊強度的貢獻量。鮮柳等[5]建立了考慮輸入軸轉速波動、軸承剛度非線性、齒輪嚙合時變剛度和阻滯力矩的雙離合變速器剛柔耦合模型，通過整車試驗驗證模型的有效性。呂鍇等[6]用AMESim仿真與臺架試驗結合的方法確定了扭矩波動幅值、激勵頻率、油溫、齒輪側隙參數對雙離變速器敲擊強度的影響。綜上所述，相關學者對變速器齒輪敲擊有深入研究，對于本企業而言，需要了解處于研發初期的雙離合變速器齒輪敲擊閾值，并在發動機自身轉速波動控制、雙質量飛輪匹配及變速器自身性能優化等敲擊噪聲控制方法中尋找可行性高、成本低的技術方案。

本文根據齒輪敲擊相關理論，制定了臺架齒輪敲擊試驗工況，在變速器NVH試驗臺架上進行了齒輪敲擊試驗，統計出各擋位在不同轉速下出現敲擊的輸入軸角加速度閾值，為變速器敲擊噪聲控制提供了參考。

1 齒輪敲擊門檻理論及敲擊評價指標

發動機在運動部件的慣性力矩和燃燒力矩作用下，曲軸所產生周期性的扭轉振動會造成變速器輸入軸的轉速波動，變速器承載齒輪對在負載的作用下齒面緊密結合；而常嚙合非承載齒輪對的從動齒輪處于空轉狀態，由于齒輪間存在側隙，齒輪會在轉速波動的影響下產生齒面沖擊現象。

嚙合空套齒輪嚙合狀態如圖1 所示，由于齒輪間存在側隙，齒輪面接觸有3 種狀態：工作面嚙合（圖中B面）、未嚙合和非工作面（圖中A 面）嚙合，發生齒輪敲擊時，齒面的接觸情況在這3種狀態中不斷變化并產生沖擊。

圖1 嚙合空套齒輪嚙合狀態

1.1 敲擊門檻理論

發生敲擊時單對常嚙合非承載單對齒輪平衡方程如下所示：

式中：Tdrive為主動齒輪驅動力矩；Tdrag為從動齒輪阻滯力矩；J為從動齒輪轉動慣量；為從動齒輪的角加速度。

當Tdrive＜Tdrag時，主從動齒輪緊密結合不發生敲擊；當Tdrive>Tdrag時，主從動齒輪分離，即從動齒輪與主動齒輪接觸面由圖1中B面接觸過渡到A面接觸，在這一過程中產生敲擊現象。因此敲擊出現的門檻[7－8]可由下式表示：

1.2 敲擊評價指標

在實際工程應用中由于從動齒輪阻滯力矩不易獲得，Padmanabhan C[9]提出了以發動機飛輪和從動齒輪角加速度為基礎的敲擊評價指標：

對于臺架試驗而言，變速器輸入軸花鍵與臺架輸入軸直接相連，因此將飛輪角加速度用輸入軸角加速度替代[10]，可以得到如下表達式：

根據以上理論可知，非承載從動齒輪的角加速度可以用來表征齒輪敲擊現象，在實際應用中可以采用磁電式轉速傳感器來測量從動齒輪的轉速，對轉速微分即可獲得角加速度值，進而對變速器齒輪敲擊進行評價。

2 臺架試驗

2.1 臺架試驗工況

本文的研究對象為某款七速濕式雙離合自動變速器，最大輸入轉速為6 000 r/min，最大輸入扭矩為250 N·m；輸入軸分為奇數軸和偶數軸，擋位主動齒輪與輸入軸一體式加工；輸出軸分為上、下軸，擋位從動齒輪空套在輸出軸上。

本次試驗在帶有半消聲室的變速器NVH 試驗臺架上進行。半消聲室滿足《GB/T 6882－2016 聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級消聲室和半消聲室精密法》中的相關要求；臺架驅動電機為低慣量電機，滿足高頻波動扭矩加載要求，控制精度為±1 Nm；驅動端扭矩傳感器測量精度為±0.05%FS（Full Scale滿量程）。

根據整車試驗的相關經驗，低擋位不易發生敲擊現象，因此試驗工況中擋位為4～7擋；發生敲擊的典型轉速為中低轉速，因此試驗輸入轉速為設定為起始1 000 r/min，以固定轉速100 r/min 為步長，最高試驗轉速為3 000 r/min；結合相關文獻的內容，平均扭矩對敲擊影響較小，因此平均扭矩定為100 N·m；波動扭矩對敲擊影響更為明顯，波動扭矩可根據變速器實際工況進行調整，本次試驗按±80 N·m 進行；根據變速器潤滑油油溫高，黏度小的特性，油溫高，更易發生敲擊現象，因此試驗油溫選用變速器常用工作溫度100 ℃。試驗過程中驅動電機波動扭矩從0 N·m 線性變化至最大波動扭矩值。在試驗過程中，每個試驗工況均重復進行3次測試，測試完成后檢查數據重復性，剔除異常數據。敲擊試驗開始前需進行磨合工況，磨合完成后更換變速器油。最終，制定的試驗工況如表1所示。

表1 臺架敲齒部分試驗工況

此外，根據企業動力總成平臺發展規劃，所研發的雙離合變速器后期會匹配不同氣缸數的發動機平臺，因此驅動電機加載頻率f根據被試件匹配的發動機氣缸數N和發動機轉速n決定。驅動電機加載頻率計算如下所示：

當發動機氣缸數為4 缸時，加載頻率為發動機2 階激勵；當發動機氣缸數為3缸時，加載頻率為發動機1.5階激勵。本次試驗采用2階激勵頻率。

2.2 臺架試驗傳感器布置

根據齒輪敲擊試驗要求，布置麥克風測試變速器近場噪聲，布置振動傳感器測試變速器振動，布置轉速傳感器測量從動齒輪轉速。試驗現場情況如圖2所示。

圖2 臺架試驗現場布置情況

2.2.1 麥克風布置

以車輛坐標系為準，分別在被測變速器的前方、左側、上方和后方布置4個麥克風測點，前、后、左3個測點的高度與變速器輸入軸等高。每個測點布置的麥克風以零入射角對準被測面，且距離變速器外包絡面約500 mm處。麥克風的測量頻率范圍為20 Hz～20 kHz，在試驗前需用專用校準儀進行校準。

2.2.2 振動傳感器布置

振動傳感器分別布置在輸入軸前軸承上部殼體、上輸出軸軸承座和下輸出軸軸承座，振動傳感器按車輛坐標系標注好方向，采用專用膠水粘貼牢固。振動傳感器的測量范圍為±500 m/s2。

2.2.3 磁電式轉速傳感器布置

試驗前根據被測變速器軸齒的布置形式在變速器殼體合適位置開孔并攻螺紋，目的是利用磁電轉速傳感器測量各齒輪的轉速，螺紋尺寸由磁電式轉速傳感器決定。殼體內有擋油板，需要根據開孔位置在擋油板上開孔，孔直徑必須保證大于磁電式轉速傳感器直徑。變速器殼體開孔位置應盡量避免肋板位置，避免對殼體結構造成過大影響。如開孔并安裝磁電式轉速傳感器后與臺架設備產生干涉，則酌情減少測點。安裝轉速傳感器時需保證傳感器頭部距離齒頂約1～2 mm，并且需打螺紋密封膠進行密封，避免漏油。磁電式轉速傳感器的最大測量范圍為100 kHz。

本次試驗中，由于臺架布置及變速器結構等原因，布置3、4、6、7 擋從動齒輪以及上輸出軸、下輸出軸主減主動齒輪轉速測點。

3 試驗數據分析

根據已設置的試驗工況進行試驗，在該試驗工況下，變速器各擋位均出現齒輪敲擊，其中敲擊較明顯的6、7擋數據分別如圖3～4所示。根據變速器的軸齒結構，提取各擋位所在的輸出軸后軸承振動情況來進行分析。圖3所示為6擋輸入轉速1 400 r/min 時上輸出軸后軸承的振動情況，在第29.26 s左右，振動值出現明顯突變，產生敲擊現象。圖4 所示為7擋輸入轉速1 400 r/min 時上輸出軸后軸承的振動情況，在第15.73 s左右，振動值出現明顯突變，產生敲擊現象。

圖3 6擋1 400 r/min振動Colormap

圖4 7擋1 400 r/min振動Colormap

進一步分析不同輸入轉速下相同擋位的齒輪敲擊情況。圖5～7 分別為7 擋輸入轉速1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min時，從動齒輪角加速度及麥克風Overall。從3幅圖中可知，麥克風Overall 均產生突變，明顯產生了齒輪敲擊現象，圖5 敲擊大約發生在第10.87 s；圖6 敲擊大約發生在第18.18 s；圖7敲擊大約發生在第34.50 s。在3組數據中，變速器輸入端波動扭矩的加載完全一致，即波動扭矩

圖5 7擋1 400 r/min空套齒輪角加速度及麥克風Overall

圖6 7擋1 800 r/min空套齒輪角加速度及麥克風Overall

圖7 7擋2 200 r/min空套齒輪角加速度及麥克風Overall

從0 N·m加載至±80 N·m，隨著輸入轉速的升高，出現敲擊的時間越晚。由這一現象可以判斷，相同擋位時，輸入轉速越高，敲擊出現的門檻值越大，通過分析其他擋位的試驗數據，可以得出相同的結論。

分析各從動齒輪對敲擊噪聲貢獻程度。以7 檔輸入轉速2 200 r/min工況為例，根據式（5）給出的敲擊評價指標，得到了各從動齒輪的敲擊強度，結果如圖8所示。在加載初始階段未發生敲擊現象，因此從第30 s 開始分析。從圖中可知，在第34.50 s時下輸出軸敲擊評價指標E3發生突變，此時麥克風Overall 也產生突變，敲擊評價指標E3從1.06 迅速變化到3左右，可以判斷是下輸出軸主減主動齒輪產生敲擊。隨著波動扭矩的繼續增大，3擋從動齒輪的敲擊評價指標E3也呈現出一定變化，最大值為1 左右，但是麥克風Overall 曲線變化并不明顯，即3擋從動齒輪敲擊對整體敲擊噪聲的貢獻量不大。結合圖7和圖8的內容可知，所采用的敲擊評價指標能夠準確判定齒輪敲擊情況。此外，4、6 擋從動齒輪敲擊評價指標E3幅值較小并且在整個加載過程中均未發突變。根據這個結果可以得出結論：雙離合變速器非工作軸的擋位從動齒輪對敲擊的影響較小。對于濕式雙離合變速器而言，非工作軸在雙離合器帶排轉矩和內外軸間滾針軸承的摩擦力矩帶動下會有一定的速度，但是輸入軸的轉速波動對于非工作軸的影響程度有限。

圖8 7擋2 200 r/min敲擊評價指標

以齒輪敲擊評價指標E3為評價標準，統計了不同輸入轉速下各擋位出現齒輪敲擊時的輸入軸角加速度值，并將其作為被試變速器齒輪敲擊閾值，統計結果如圖9所示，結果印證了結論：輸入轉速越高，敲擊門檻值越大。

圖9 各擋位不同轉速輸入軸角加速度

在后期的動力總成匹配及整機噪聲控制方案設計時，以本次臺架試驗得到的變速器敲擊閾值為參考，從發動機自身轉速波動控制、雙質量飛輪匹配及變速器自身性能優化等敲擊噪聲控制方法中尋找可行性高、成本低的技術方案，最終實現設計目標。

4 結束語

本文根據齒輪敲擊門檻理論，采用了以輸入軸角加速度均方根和從動齒輪角加速度均方根比值的齒輪敲擊評價指標。結合文獻資料和整車試驗相關經驗，制定了臺架齒輪敲擊試驗工況，并在變速器NVH試驗臺架上進行試驗，結果表明變速器各試驗擋位均出現齒輪敲擊現象。

分析試驗數據可以得到以下結論：雙離合變速器非工作軸的齒輪對整體敲擊噪聲貢獻量較小；相同擋位時，輸入轉速越高，齒輪敲擊的門檻值越高；采用的敲擊評價指標能準確判斷出現敲擊的時刻，基于該判斷條件統計出了各擋位出現敲擊時的輸入軸角加速度，為變速器噪聲控制提供了參考依據。