馬安康 顧燦松, 袁兆成 王東

（1.吉林大學(xué)，長春 130022；2.中國汽車技術(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，還容易被誤認為是變速器故障。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者對變速器齒輪敲擊問題進行了研究[1-6]，然而大多都是針對手動變速器齒輪，對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)簡單等特點，越來越受到國內(nèi)外車企的青睞，因此對雙離合變速器齒輪敲擊的研究具有現(xiàn)實意義。為此，針對雙離合變速器的齒輪敲擊現(xiàn)象進行了整車與臺架試驗的分析研究。

2 雙離合變速器齒輪敲擊試驗

2.1 雙離合變速器基本參數(shù)

試驗樣機為一臺濕式雙離合變速器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含6個前進擋和1個倒擋。1、3、5擋通過內(nèi)輸入軸驅(qū)動，2、4、6、R擋通過外輸入軸驅(qū)動。各擋位間的換擋均是通過同步器接合實現(xiàn)。倒擋齒輪、2擋齒輪、主動齒輪處于常嚙合狀態(tài)，變速器處于2擋時，2擋齒輪依舊服務(wù)于該擋位，此時倒擋的同步器處于斷開狀態(tài)，而在倒擋時這種動作剛好相反，2擋齒輪此時起到了改變動力傳遞方向的作用。

圖1 雙離合變速器結(jié)構(gòu)示意

2.2 試驗工況及傳感器布置

敲擊試驗分為整車試驗和臺架試驗兩部分，如圖2所示。整車試驗在整車半消聲室的轉(zhuǎn)鼓上進行，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噪聲，試驗工況包括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，通過整車試驗確定易發(fā)生敲擊的工況，以便進一步進行臺架試驗。

臺架試驗在傳動系統(tǒng)半消聲室進行，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)動電機通過雙質(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)動機的2階激勵[1]，故將發(fā)動機的2階激勵作為激勵源；在變速器前端、后端、左端、頂端布置近場和遠場麥克風（變速器坐標與在整車上安裝時一致）；在變速器殼體大平面、軸承附近布置三向加速度計；在每個擋位齒輪處打孔布置磁電傳感器以獲取轉(zhuǎn)速信號。設(shè)置了潤滑油溫、激勵頻率、平均扭矩3個變量，研究每個變量下敲擊的遞變規(guī)律。

圖2 整車與臺架測試圖

3 變速器齒輪敲擊試驗結(jié)果分析

3.1 整車試驗結(jié)果分析

經(jīng)過整車試驗發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400～1 800 r/min之間各擋位下均有明顯的敲擊聲。通過測取的駕駛員雙耳處噪聲與變速器近場噪聲發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速器近場同樣出現(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)敲擊聲來自于變速器敲擊噪聲。試驗車型配置的是自動變速器，試驗時將各擋位鎖死進行WOT試驗，經(jīng)主觀評價發(fā)現(xiàn)4擋時敲擊現(xiàn)象最明顯，故對4擋WOT工況進行重點研究。4擋WOT工況時的測試結(jié)果如圖3所示，由圖3可看出，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時敲擊聲比較明顯，這可能是由于四缸發(fā)動機的2階頻率正好激起傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，使得扭振振幅增大，進而敲擊強度增大。

圖3 4擋全負荷加速測試結(jié)果

3.2 臺架測試結(jié)果分析

根據(jù)整車測試結(jié)果，選擇敲擊聲比較明顯時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速（1 500 r/min）作為臺架試驗分析的主要轉(zhuǎn)速。由于敲擊噪聲在頻譜圖上呈現(xiàn)的是寬頻特性，故在進行敲擊強度評價時應(yīng)排除發(fā)動機激勵以及承載齒輪嘯叫的影響。在研究潤滑油溫、激勵頻率、平均扭矩的影響時采用4擋1 500 r/min的工況，此時2階激勵頻率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，對應(yīng)頻率如表1。

表1 階次頻率表

臺架試驗所采用的雙離合變速器為雙輸出軸結(jié)構(gòu)，在評價敲擊強度時采用距兩個輸出軸軸承相等位置（即變速器左中位置）的X向、Z向振動的RMS值作為評價指標。為排除2階激勵頻率及齒輪嚙合頻率的影響，進行了敲擊強度指標計算頻率段R1、R2、R3的選取，如圖4a所示。與此同時使用帶阻濾波器對變速器左近場噪聲頻譜進行濾波，濾出R1、R2、R3對應(yīng)的頻率段頻譜并分別進行回放，發(fā)現(xiàn)變速器敲擊聲均比較明顯。由圖4b可看出，3個頻率段的振動RMS值隨扭矩波動幅值的變化趨勢基本相同，本文采用R3（3 584～4 648 Hz）的RMS值作為試驗變速器的敲擊強度指標。

敲擊閥值是研究變速器齒輪敲擊現(xiàn)象的一項重要指標，為此對4擋1 500 r/min工況進行了敲擊閥值的主觀評價，發(fā)現(xiàn)在扭矩波動幅值為60N·m時，敲擊現(xiàn)象開始比較明顯。而在圖4b中，在扭矩波動幅值為60 N·m時敲擊強度指標值會有一個突變，所以結(jié)合主觀評價進一步驗證了敲擊強度指標的準確性。

圖4 頻率段的選取

3.2.1 潤滑油溫的影響

試驗設(shè)置了40℃、60℃、80℃3個潤滑油溫度，驅(qū)動電機平均扭矩為100 N·m，平均轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，激勵頻率為50 Hz，為觀察敲擊的遞變規(guī)律，扭矩波動幅值為10～90 N·m，步長為10 N·m。試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出，變速器的敲擊強度隨潤滑油溫度的升高而變強，這是由于潤滑油溫度升高，粘度下降，使得空套齒輪所受的阻滯力矩變小[7]，進而使得敲擊加劇，敲擊強度指標值增大。

圖5 潤滑油溫的影響

3.2.2 平均扭矩的影響

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

圖6 平均扭矩的影響

3.2.3 激勵頻率的影響

通過ETPS（發(fā)動機扭矩脈沖模擬）對轉(zhuǎn)速與激勵頻率進行解耦，驗證是否在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個激勵頻率，潤滑油溫為60℃，其它參數(shù)設(shè)置與潤滑油溫的一致，試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，在扭矩波動幅值較小（小于40 N·m）時，變速器齒輪敲擊強度隨激勵頻率的變化不明顯，當扭矩波動幅值大于40 N·m時，變速器齒輪敲擊強度隨激勵頻率的增大而減弱，在激勵頻率為50 Hz時未出現(xiàn)最大值。

圖7 激勵頻率的影響

通過臺架試驗結(jié)果可知，潤滑油溫、扭矩波動幅值及激勵頻率對敲擊強度的影響比較明顯，而激勵的平均扭矩對敲擊強度影響較小。在實際解決變速器齒輪敲擊問題時，可以通過降低潤滑油溫度及提高空套齒輪所受阻滯力矩來減弱變速器齒輪敲擊強度；也可以通過降低扭矩波動幅值等方法降低變速器輸入軸的扭矩波動，進而改善敲擊現(xiàn)象。

4 相干分析

為進一步分析各擋空套齒輪對變速器齒輪敲擊的影響，可將變速器視作一個敲擊系統(tǒng)，6個前進擋以及R擋的角加速度信號是系統(tǒng)的輸入，變速器殼體左中位置的振動信號是系統(tǒng)的輸出。將各個擋位下空套齒輪的角加速度信號分別與變速器殼體左中位置三向振動的X、Z向信號作常相干分析，進一步求出各擋空套齒輪對變速器齒輪敲擊的貢獻量，從而確定出各擋空套齒輪對變速器齒輪敲擊的影響程度。圖8是2、3、4、5擋時各空套齒輪對變速器齒輪敲擊的貢獻量計算結(jié)果，由于X向、Z向計算結(jié)果只體現(xiàn)在數(shù)值上的不同，但是貢獻量排序一致，故只以X向計算結(jié)果進行說明。

根據(jù)2、3、4、5擋的計算結(jié)果得出，對變速器齒輪敲擊貢獻量比較大的是：2擋時的4擋空套齒輪和3擋空套齒輪；3擋時的5擋空套齒輪和4擋空套齒輪；4擋時的3擋空套齒輪和6擋空套齒輪；5擋時的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擋空套齒輪對變速器齒輪敲擊的貢獻量較大，可以對3擋空套齒輪和4擋空套齒輪進行重點改進以減弱敲擊現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

針對雙離合變速器齒輪敲擊問題進行了整車試驗與臺架試驗，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度指標對潤滑油溫、平均扭矩、扭矩波動幅值及激勵頻率的影響進行了定量評價，得出潤滑油溫、扭矩波動幅值對敲擊強度影響較大，通過降低潤滑油溫、降低扭矩波動幅值等方法可降低齒輪敲擊強度。通過相干分析得出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)象的主要貢獻源，可通過改變其慣量、側(cè)隙等方法減弱敲擊現(xiàn)象。

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