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(yōu)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(fā)過程中產(chǎn)生的變速器敲齒問題，闡述了傳動(dòng)系統(tǒng)NVH問題的產(chǎn)生機(jī)制和控制策略。在運(yùn)用 Simulink 仿真對整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化優(yōu)化和敏感度分析后，確定了加裝雙質(zhì)量飛輪的方案，并通過實(shí)車測試驗(yàn)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(zhuǎn)模態(tài) ；雙質(zhì)量飛輪

0 引言

在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配中，變速器敲齒現(xiàn)象(Rattle)是經(jīng)常會(huì)遇到的NVH問題，而敲齒噪聲會(huì)直接影響駕駛者對車輛品牌好壞的判斷。

Rattle產(chǎn)生的根源在于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)(一般為2階)被發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)所激勵(lì)而產(chǎn)生共振，并拖拽變速器內(nèi)非承載齒輪副間發(fā)生撞擊[1]。因此可通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)、控制傳動(dòng)系統(tǒng)扭振模態(tài)和優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)3種手段來控制Rattle。在項(xiàng)目開發(fā)前期可通過虛擬樣機(jī)仿真和有限元等手段對Rattle問題進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計(jì)；而在項(xiàng)目開發(fā)后期，由于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)已基本固化設(shè)計(jì)，只能通過扭轉(zhuǎn)減振器或雙質(zhì)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(shè)計(jì)環(huán)境的可視化仿真工具，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)多領(lǐng)域的仿真分析[2]。利用Simulink中的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)工具箱，可對傳動(dòng)系統(tǒng) Rattle 問題進(jìn)行方便快捷的建模和優(yōu)化分析。

在某自主品牌車型的開發(fā)過程中，試生產(chǎn)樣車存在明顯Rattle現(xiàn)象。在分析和解決該樣車Rattle問題的過程中，對相關(guān)分析流程、實(shí)驗(yàn)方法和創(chuàng)新理論進(jìn)行總結(jié)形成此文,供業(yè)內(nèi)人士參考。

1 基本理論

沖程式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩呈周期性變化，表現(xiàn)為動(dòng)力輸出端一定的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。這一轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)帶動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(以下簡稱扭振)，并驅(qū)使變速器內(nèi)非承載齒輪副在允許的工作間隙內(nèi)產(chǎn)生不規(guī)則的來回敲打現(xiàn)象，產(chǎn)生的噪聲通過空氣及車身傳遞至車廂內(nèi)，即為 Rattle聲[3]。由于內(nèi)燃機(jī)必然會(huì)產(chǎn)生扭振，所以變速箱Rattle現(xiàn)象是無法避免的，但可以通過控制扭振的強(qiáng)度使Rattle水平處于可接受的范圍內(nèi)。

由共振原理可知，通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)整體的扭振特性分析，優(yōu)化傳動(dòng)部件的質(zhì)量和剛度特性，使系統(tǒng)扭振固有頻率避開發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率區(qū)間，是針對Rattle最直接有效的控制手段。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振分析，實(shí)踐上一般都采用由廣義集中質(zhì)量和等效扭轉(zhuǎn)彈簧連接的鏈狀軸系模型[4]。如圖1所示為四驅(qū)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)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(zhuǎn)質(zhì)量用具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的剛性圓盤來代替，并將所有的軸段用具有一定扭轉(zhuǎn)剛度的扭轉(zhuǎn)彈簧來代替。等效圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度通過實(shí)際測量、數(shù)模計(jì)算等手段獲取。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析模型示意圖

采用上述分析模型的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振微分方程為

(1)

2 問題描述

圖2 三擋全加速工況振動(dòng)噪聲測試結(jié)果

在某自主品牌車型的開發(fā)過程中，主觀評價(jià)認(rèn)為試生產(chǎn)樣車在各擋位下都存在明顯的敲擊噪聲，需要進(jìn)行優(yōu)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(dòng)和駕駛室內(nèi)噪聲的測試結(jié)果，從中可以發(fā)現(xiàn)明顯的Rattle特征。為進(jìn)一步鎖定問題特征，對樣車的變速器輸入軸進(jìn)行了扭振測試，結(jié)果如圖3所示。從扭振測試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)：各擋位下相對比發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2階的扭振曲線上都存在峰值，且峰值位置對應(yīng)轉(zhuǎn)速隨著檔位升高而降低。綜上所述，樣車存在嚴(yán)重Rattle問題，問題根源是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生共振。

圖3 二擋～五擋全加速工況扭振測試結(jié)果

3 Simulink仿真

為了解決樣車的Rattle問題，使用MATLAB中的Simulink模塊進(jìn)行了模擬仿真優(yōu)化。Simulink提供了車輛動(dòng)力學(xué)集成通用工具箱，可將車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件離散成獨(dú)立的對象，并根據(jù)實(shí)際工作狀況進(jìn)行封裝，使之成為有輸入和輸出的參數(shù)化模塊。在參照車輛實(shí)際參數(shù)對各子系統(tǒng)模塊進(jìn)行設(shè)置后，按動(dòng)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(shù)通過臺(tái)架測試、經(jīng)驗(yàn)積累和CAE計(jì)算等手段獲得。

圖4 整車Simulink仿真模型

為了驗(yàn)證該仿真模型的精確程度，首先利用該模型仿真計(jì)算了各擋位下變速器輸入軸的扭振，其結(jié)果曲線如圖5所示。由共振原理可知，結(jié)果曲線中峰值所對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率即為傳動(dòng)系統(tǒng)的2階扭振固有頻率，其結(jié)果列舉在表1中。經(jīng)過對比分析，仿真模型模擬計(jì)算的扭振頻率與幅值與實(shí)車測試結(jié)果基本一致。如圖5所示，根據(jù)以往研究中積累的主觀評價(jià)結(jié)果和客觀測試數(shù)據(jù)，按照Rattle問題的嚴(yán)重程度將扭振結(jié)果分為4個(gè)區(qū)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(jié)果

表1 各擋位下傳動(dòng)系統(tǒng)2階扭振固有頻率

為了避免扭振共振峰值的產(chǎn)生，需要將傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振固有頻率降低到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率之下。根據(jù)之前的理論介紹，選取了影響最大的幾個(gè)參數(shù)，針對扭振問題最明顯的三擋工況進(jìn)行了敏感度分析，現(xiàn)分別介紹如下。

扭轉(zhuǎn)減振器剛度。扭轉(zhuǎn)減振器是指安裝在離合器從動(dòng)盤上的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彈簧剛度增大20%、40%和減小20%、40%進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明：隨著減振器剛度的增加，傳動(dòng)系統(tǒng)2階扭振固有頻率和扭振幅值都增大。

離合器摩擦因數(shù)。離合器從動(dòng)盤摩擦片的摩擦因數(shù)同樣會(huì)影響扭振峰值的產(chǎn)生，選取不同的摩擦因數(shù)輸入到模型中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：增大摩擦因數(shù)會(huì)降低扭振共振峰值的幅值，但會(huì)使高轉(zhuǎn)速時(shí)的扭振惡化。

圖6 扭轉(zhuǎn)減振器剛度影響仿真結(jié)果

圖7 離合器摩擦因數(shù)影響仿真結(jié)果

輸入軸扭轉(zhuǎn)剛度。在模型中將輸入軸扭轉(zhuǎn)剛度分別增大50%和減小50%進(jìn)行仿真，結(jié)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(zhuǎn)剛度影響仿真結(jié)果

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

圖9 半軸扭轉(zhuǎn)剛度影響仿真結(jié)果

飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在模型中分別將飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大20%、40%和減小20%、40%進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明：飛輪慣量對扭振有較大影響，其規(guī)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(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能和動(dòng)力傳遞的連貫性。

圖10 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響仿真結(jié)果

輸入軸質(zhì)量。在模型中分別將輸入軸的質(zhì)量增大20%、40%和減小20%、40%進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對扭振有一定影響，其規(guī)律為慣量增大會(huì)使扭振峰值頻率降低。

圖11 輸入軸質(zhì)量影響仿真結(jié)果

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

仿真結(jié)果的綜合對比分析表明雙質(zhì)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(jìn)行了仿真驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，針對樣車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了雙質(zhì)量飛輪匹配開發(fā)，圖13所示為最終設(shè)計(jì)出的雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)特性曲線。

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

圖14 樣車匹配雙質(zhì)量飛輪后扭振測試結(jié)果

5 結(jié)論

基于變速器Rattle問題的產(chǎn)生機(jī)制和控制手段，運(yùn)用Simulink仿真進(jìn)行了參數(shù)化分析和優(yōu)化，最終確定了加裝雙質(zhì)量飛輪的方案。實(shí)車驗(yàn)證表明雙質(zhì)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(dòng)變速箱的齒輪敲擊模擬和分析[J].傳動(dòng)技術(shù)，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(shí)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(shí)驗(yàn)分析的變速器敲擊噪聲優(yōu)化[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，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(dòng)與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社，2014.

【5】王立偉，江征風(fēng)，胡偉，等.雙質(zhì)量飛輪減振特性分析與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)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(tuán)再度亮相軸承展

在華業(yè)績和發(fā)展信心雙攀升

精密零件生產(chǎn)廠家美蓓亞株式會(huì)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(shè)備展覽會(huì)”。

美蓓亞集團(tuán)作為日本第一家微型滾珠軸承專業(yè)生產(chǎn)廠家，創(chuàng)立于1951年。除在外徑為22 mm以下的滾珠軸承領(lǐng)域世界市場份額排名第一外，在飛機(jī)用桿端軸承、硬盤驅(qū)動(dòng)器用樞軸組件、智能手機(jī)用薄型LED背光模組等領(lǐng)域也獲得了市場份額世界第一的業(yè)績。此外，集團(tuán)還以超精密技術(shù)為核心，生產(chǎn)汽車風(fēng)扇電機(jī)、傳感裝置等各類微型電機(jī)和精密電子零件。

對美蓓亞集團(tuán)來說，中國是極為重要的區(qū)域，生產(chǎn)份額占集團(tuán)總體的20%，銷售份額占35%。尤其，美蓓亞集團(tuán)在中國的微型滾珠軸承及桿端軸承銷售業(yè)績持續(xù)攀升，連續(xù)15個(gè)季度刷新銷量紀(jì)錄，更于本年6月創(chuàng)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(tuán)內(nèi)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(yīng)對改善燃耗和尾氣排放限制等要求，對EPS(電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))和EGR(廢氣再循環(huán)閥)用軸承的需求大幅增加。2015年，美蓓亞集團(tuán)提前完成軸承外銷任務(wù)，實(shí)現(xiàn)4年內(nèi)銷售額翻3番的宏偉目標(biāo)。今后美蓓亞集團(tuán)針對中國車用軸承市場的銷售目標(biāo)是在2020年之前銷售額再翻3番。

(來源：美蓓亞株式會(huì)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(fā)與優(yōu)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