DCT變速箱原地換擋車輛抖動及噪聲優(yōu)化

張曉明，汪新云，趙忠偉 Zhang Xiaoming，Wang Xinyun，Zhao Zhongwei

DCT變速箱原地換擋車輛抖動及噪聲優(yōu)化

張曉明，汪新云，趙忠偉
Zhang Xiaoming，Wang Xinyun，Zhao Zhongwei

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 驅(qū)動系統(tǒng)部，上海 201206）

介紹了DCT（Dual Clutch Transmission，雙離合器式自動變速箱）的工作原理和DCT車輛原地換擋的基本原理及實現(xiàn)過程。針對DCT車輛原地換擋過程帶來的車輛抖動及換擋噪聲問題進行了根本原因分析，提出了對車輛換擋抖動及換擋噪聲有較大影響的3個關(guān)鍵控制因子，基于正交試驗法確認了3個控制因子的最佳參數(shù)水平，實車試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的DCT車輛，原地換擋車輛抖動和換擋噪聲都有明顯改善，實現(xiàn)了較好的原地換擋感受。

DCT；雙離合器；原地換擋；正交試驗法

0 引 言

DCT（Dual Clutch Transmission，雙離合器式自動變速箱）將變速箱的奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分別布置在與兩個離合器所聯(lián)接的兩根輸入軸上，通過精確控制兩個離合器的分離與結(jié)合實現(xiàn)擋位切換。DCT變速箱具有換擋舒適、無動力中斷、傳動效率高等優(yōu)點。新一代改良的濕式離合器進一步克服了原干式離合器容易過熱、換擋頓挫等缺點，提高了變速箱的整體性能并擴大了應(yīng)用范圍。但離合器完全分離時也存在較大的拖曳力矩，特別是在冬季低溫時，因為油液粘度較大，拖曳力矩的影響更為明顯[1]。在此情況下，車輛原地換擋時會發(fā)生較大的抖動和換擋噪聲。加之原地換擋時沒有胎噪、風噪等其他噪聲，任何微小的抖動和噪聲都很容易被客戶感知，引起客戶抱怨。

基于對DCT的結(jié)構(gòu)原理和原地換擋原理進行分析，明確了對DCT車輛原地換擋有較大影響的3個關(guān)鍵控制因子，并基于正交試驗法快速確認了最佳組合方案，并對經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的原地換擋控制策略進行了實車對比驗證。

1 DCT變速箱工作原理及原地換擋過程分析

1.1 DCT的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

典型的6速、多片濕式DCT結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[2]。為了實現(xiàn)動力換擋，將奇數(shù)擋和倒擋與離合器C1相連，偶數(shù)擋與離合器C2相連；C2的輸出軸為一個實心軸，C1的輸出軸為套在C2實心輸出軸外的一個空心軸。正常行駛過程中始終有一套傳動齒輪用于傳遞動力，而另外一套傳動齒輪則根據(jù)換擋規(guī)律預先掛入下一個即將工作的擋位。

圖1 DCT傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 DCT同步器掛擋過程分析

DCT變速箱采用了與手動變速箱類似的同步器掛擋機構(gòu)。要想實現(xiàn)同步器的摘擋和掛擋動作，首先需要通過分離離合器，斷開與發(fā)動機的動力傳遞，然后通過液壓系統(tǒng)或者電機系統(tǒng)推動換擋撥叉，換擋撥叉推動同步器齒套，進而通過滑塊等機構(gòu)推動同步環(huán)的動作實現(xiàn)摘擋和掛擋動作。

1.3 DCT原地換擋過程分析

車輛起步過程或者車輛停車入庫等駕駛工況下，經(jīng)常會有倒擋和前進擋的頻繁切換操作。由于R擋和1擋均由離合器C1進行發(fā)動機動力傳遞；因此，在同步器掛擋設(shè)計上，不允許同時掛入1擋和R擋，以避免動力流沖突。掛入R擋后，R擋同步器處于結(jié)合狀態(tài)，此時離合器C1處于半結(jié)合點狀態(tài)，隨時做好起步準備，以提高車輛起步響應(yīng)速度。當換擋手柄從R擋切換到D擋后，離合器C1需要快速分離，以切斷與發(fā)動機的動力傳遞，之后，掛擋機構(gòu)通過換擋撥叉帶動齒套等一系列動作摘掉R擋同步器，同時結(jié)合1擋同步器，掛入1擋。變速箱控制系統(tǒng)輸入軸轉(zhuǎn)速變化情況以及換擋撥叉實時位置等信息控制換擋撥叉的進給速度和進給力，并判斷是否掛擋成功。在1擋成功掛入后，控制離合器C1結(jié)合壓力到半結(jié)合點附近，為車輛起步操作做好準備。當滿足起步條件后，離合器按照預先開發(fā)好的離合器控制策略，實現(xiàn)車輛的起步。

2 DCT變速箱原地換擋車輛抖動及噪聲的機理分析

2.1 DCT變速箱原地換擋車輛抖動及換擋噪聲

在冬季試驗過程中，駕駛員抱怨在車輛R、D擋位切換時，經(jīng)常發(fā)生抖動，同時還能聽見明顯的變速箱換擋噪聲。原地換擋過程中發(fā)生的車輛抖動及換擋噪聲不僅會降低客戶的駕乘感受，同時會導致客戶對變速箱耐久性、可靠性方面產(chǎn)生擔憂，甚至導致客戶因此退車等售后問題。

對抱怨車輛現(xiàn)場采集并分析NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動及聲振粗糙度）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)客觀數(shù)據(jù)反應(yīng)的問題與駕駛員主觀抱怨完全一致。如圖2所示，圖中虛線為變速器換擋手柄位置信號。在從R擋到D擋后大概0.55 s處，變速箱殼體上的振動加速度出現(xiàn)一個較大的峰值，最高點達到11.86。

圖2 車輛原地換擋過程中的變速箱殼體振動加速度

2.2 DCT變速箱原地換擋車輛抖動及噪聲機理分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象基本出現(xiàn)在早晨冷車狀態(tài)，變速箱油溫升高后該現(xiàn)象通常會減輕甚至消失?；谠負Q擋過程分析可知，離合器的完全分離對原地換擋非常關(guān)鍵。與干式離合器相比，濕式離合器的拖曳力矩大，在溫度低、油液粘度大時尤為明顯，較大拖曳力矩導致離合器無法完全分離；因此，當R擋同步器摘到空擋后，在較大的離合器拖曳力矩的作用下，變速箱內(nèi)部的空套齒輪會被發(fā)動機帶動旋轉(zhuǎn)。拖曳力矩越大，空套齒輪轉(zhuǎn)速也越高。

對抱怨車輛進行實車數(shù)據(jù)采集分析，如圖3所示。在離合器分離、R擋同步器摘到空擋后，輸入軸被離合器拖曳力矩帶動到488 r/min附近。在同步器掛1擋的過程中，車輛處于靜止狀態(tài)，同步環(huán)需要同步大概488 r/min的轉(zhuǎn)速差，因此產(chǎn)生了車輛抖動以及換擋噪聲。同步轉(zhuǎn)速差越大，同步慣量越大，車輛抖動也越大[3]。

圖3 原設(shè)計參數(shù)DCT原地換擋過程參數(shù)曲線圖

3 DCT變速箱原地換擋車輛抖動及換擋噪聲的優(yōu)化解決措施

3.1 DCT變速箱原地換擋車輛抖動及噪聲的影響因素分析

通過分析可知，要想減輕甚至消除車輛抖動及換擋噪聲，需要將輸入軸的轉(zhuǎn)速降到最低，可以通過降低離合器拖曳力矩來實現(xiàn)。在變速箱油液粘度特性、離合器摩擦片結(jié)構(gòu)設(shè)計及表面溝槽設(shè)計等硬件設(shè)計已經(jīng)固化的情況下，有3種方法能夠降低離合器拖曳力矩。

1） 延長同步器摘擋動作等待時間。

因為離合器壓力傳感器檢測位置的壓力與離合器內(nèi)腔內(nèi)部的壓力具有一定的偏差，離合器內(nèi)腔壓力降低會滯后；因此，增大同步器開始摘擋動作時的延時參數(shù)可以確保離合器內(nèi)腔壓力降到最低水平。也就是說，在離合器壓力降低到原先設(shè)定的壓力值之后，增加等待時間，再進行同步器摘擋動作，這個參數(shù)稱之等待時間，初始設(shè)計值為10 ms。

2）增大離合器泄油速率以實現(xiàn)快速降低離合器腔內(nèi)壓力。

離合器泄油速率可以通過調(diào)整離合器目標傳遞扭矩來實現(xiàn)。比如目標傳遞扭矩定義為-20 N?m，相比-10 N?m，要想盡快達到更低的目標傳遞扭矩，離合器泄油速率也會相應(yīng)提高。需說明負扭矩是相對于半結(jié)合點作為基點（0 N?m）進行評估計算，不代表真實扭矩。同時需要注意，過快的離合器泄油速率可能導致出現(xiàn)負壓力，這將可能對壓力傳感器造成永久性物理損壞。目標傳遞扭矩初始設(shè)計值為-10 N?m。

3）減少離合器冷卻油流量。

濕式離合器需要強制冷卻潤滑，而冷卻潤滑油則進一步加大了離合器分離狀態(tài)下的拖曳力矩[4]。在怠速階段，離合器基本不傳遞扭矩，對冷卻潤滑的需求非常低。通過減少怠速工況下的冷卻潤滑油流量，可以降低離合器的拖曳力矩。離合器冷卻液流量初始設(shè)計值為0.5 L/min。

3.2 基于正交試驗法確認3個控制因子的最優(yōu)數(shù)值

當目標系統(tǒng)過于復雜，控制因子數(shù)量多、多水平分布且有多因子干擾的情況下，試驗次數(shù)也多。正交試驗法是全過程的多目標優(yōu)化[5]，一共識別出3個控制因子，每個控制因子選取3個控制水平，同時考慮變速箱油液加注量誤差這個干擾因子?；谡辉囼灧ǎx取L9（34）正交表安排試驗，只需9次試驗。控制因子及干擾因子選取及設(shè)定見表1和表2。

表1 控制因子選擇及水平設(shè)定

干擾因子選擇油液加注量，分別選取設(shè)計參數(shù)的上下偏差，即公差±100 ml。

表2 干擾因子選擇及水平設(shè)定 ml

注：干擾因子為潤滑油量。

基于正交試驗組合，在車輛上進行測試，記錄對應(yīng)輸入軸轉(zhuǎn)速波動量。試驗結(jié)果見表3。

表3 DCT車輛原地換擋輸入軸轉(zhuǎn)速波動正交試驗結(jié)果

注：干擾因子1、2水平所對應(yīng)數(shù)值為輸入軸轉(zhuǎn)速波動。

基于試驗結(jié)果，分析得到每個控制因子的貢獻度，如圖4所示。選取控制因子水平3、3、1組合方案可以實現(xiàn)最小的輸入軸轉(zhuǎn)速波動。但是考慮到離合器目標扭矩貢獻度較低，且較快的離合器泄油速率可能帶來負壓力，影響壓力傳感器的壽命等，最終優(yōu)化參數(shù)為3、1、1組合方案。

注：WT1為同步器等侍時間這一控制因子水平1；WT2為同步器等侍時間這一控制因子水平2；WT3為同步器等侍時間這一控制因子水平3；TQ1為離合器目標傳遞扭矩這一控制因子水平1；TQ2為離合器目標傳遞扭矩這一控制因子水平2；TQ3為離合器目標傳遞扭矩這一控制因子水平3；FQ1為離合器冷卻油流量這一控制因子水平1；FQ2為離合器冷卻油流量這一控制因子水平2；FQ3為離合器冷卻油流量這一控制因子水平3。

3.3 優(yōu)化方案的整車驗證

基于得到的優(yōu)化結(jié)果對變速箱的標定參數(shù)進行優(yōu)化并實車驗證。整車驗證依然確保變速箱油溫保持在0℃附近。驗證結(jié)果表明，無論是主觀評估還是客觀數(shù)據(jù)，原地換擋過程的車輛抖動及換擋噪聲得到了明顯改善，如圖5所示。輸入軸轉(zhuǎn)速波動為160 r/min，與初始設(shè)計相比，下降了 328 r/min，降低了同步器的同步轉(zhuǎn)速，基本消除了換擋過程中車輛抖動以及換擋噪聲。同時，同步轉(zhuǎn)速差變小，縮短了同步器同步時間；因此，雖然增大了等待時間，但總換擋時間并沒有增加，即不會影響整車原地換擋的動態(tài)響應(yīng)時間。

圖5 參數(shù)優(yōu)化后的DCT原地換擋過程參數(shù)曲線圖

整車優(yōu)化后，實際換擋過程中變速箱殼體振動加速度數(shù)據(jù)如圖6所示?；贜VH客觀數(shù)據(jù)可見，殼體振動加速度最大值從11.86下降到2.67，換擋噪聲得到了有效改善。

圖6 優(yōu)化后DCT車輛原地換擋變速箱殼體振動加速度

4 結(jié) 論

基于DCT的結(jié)構(gòu)原理，分析論述了DCT變速箱車輛原地換擋過程的動作原理，針對原地換擋過程中出現(xiàn)的車輛抖動及換擋噪聲問題進行深入分析，找出對該問題有較大影響的3個關(guān)鍵控制參數(shù)?；谡辉囼灧ǎ_認了符合整車實際需求的最佳參數(shù)組合；經(jīng)過實車驗證，證明了優(yōu)化后的組合參數(shù)可以明顯改善DCT變速箱車輛原地換擋過程的車輛抖動和換擋噪聲，改進了原地換擋感受，對于改善車輛原地換擋的NVH表現(xiàn)有現(xiàn)實指導意義。

[1]孫賢安，焦偉. 雙離合器式自動變速器低溫靜態(tài)進擋控制策略[J]. 上海汽車，2014（2）：24-26，30.

[2]Kulkarni M，Shim T，Zhang Y. Shift Dynamics and Control of Dual-Clutch Transmissions[J]. Mechanism and Machine Theory，2007，42（2）：168-182.

[3]翁曉明. 濕式雙離合器變速器換擋品質(zhì)的研究[J]. 汽車工程， 2009，31（10）：927-931，956.

[4]潘強強，吳光強，羅少華，等. 濕式雙離合器帶排轉(zhuǎn)矩研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（6）：16-19.

[5]何月娥.農(nóng)機試驗設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1986.

2019-05-06

U463.212.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.009

1002-4581（2019）04-0032-04