雙離合變速器臺(tái)架敲齒試驗(yàn)研究

張 偉，柯 意

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

雙離合自動(dòng)變速器因傳動(dòng)效率高、換擋速度快以及技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)自主研發(fā)變速器領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。雙離合自動(dòng)變速器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)扭振作用下產(chǎn)生的齒面沖擊現(xiàn)象，具有噪聲級(jí)階躍的特點(diǎn)[1]，會(huì)對(duì)變速器整體噪聲產(chǎn)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(dòng)軸剛度、輸入軸慣量等參數(shù)對(duì)齒輪敲擊的靈敏度，為敲擊噪聲控制給出建議。郭棟等[3]進(jìn)行了手動(dòng)變速器臺(tái)架敲擊試驗(yàn)，結(jié)果表明發(fā)生敲擊時(shí)變速器近場(chǎng)噪聲上升3～5 dB，殼體振動(dòng)加速度也明顯上升。馬安康等[4]通過(guò)整車測(cè)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(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分析了油溫、平均扭矩和激勵(lì)頻率對(duì)敲擊強(qiáng)度的影響，用相干分析確定了各空套齒輪對(duì)敲擊強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量。鮮柳等[5]建立了考慮輸入軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)、軸承剛度非線性、齒輪嚙合時(shí)變剛度和阻滯力矩的雙離合變速器剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)整車試驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性。呂鍇等[6]用AMESim仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)合的方法確定了扭矩波動(dòng)幅值、激勵(lì)頻率、油溫、齒輪側(cè)隙參數(shù)對(duì)雙離變速器敲擊強(qiáng)度的影響。綜上所述，相關(guān)學(xué)者對(duì)變速器齒輪敲擊有深入研究，對(duì)于本企業(yè)而言，需要了解處于研發(fā)初期的雙離合變速器齒輪敲擊閾值，并在發(fā)動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制、雙質(zhì)量飛輪匹配及變速器自身性能優(yōu)化等敲擊噪聲控制方法中尋找可行性高、成本低的技術(shù)方案。

本文根據(jù)齒輪敲擊相關(guān)理論，制定了臺(tái)架齒輪敲擊試驗(yàn)工況，在變速器NVH試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了齒輪敲擊試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出各擋位在不同轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)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(mén)檻理論及敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)部件的慣性力矩和燃燒力矩作用下，曲軸所產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)造成變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，變速器承載齒輪對(duì)在負(fù)載的作用下齒面緊密結(jié)合；而常嚙合非承載齒輪對(duì)的從動(dòng)齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，由于齒輪間存在側(cè)隙，齒輪會(huì)在轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響下產(chǎn)生齒面沖擊現(xiàn)象。

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

圖1 嚙合空套齒輪嚙合狀態(tài)

1.1 敲擊門(mén)檻理論

發(fā)生敲擊時(shí)單對(duì)常嚙合非承載單對(duì)齒輪平衡方程如下所示：

式中：Tdrive為主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)力矩；Tdrag為從動(dòng)齒輪阻滯力矩；J為從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為從動(dòng)齒輪的角加速度。

當(dāng)Tdrive＜Tdrag時(shí)，主從動(dòng)齒輪緊密結(jié)合不發(fā)生敲擊；當(dāng)Tdrive>Tdrag時(shí)，主從動(dòng)齒輪分離，即從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪接觸面由圖1中B面接觸過(guò)渡到A面接觸，在這一過(guò)程中產(chǎn)生敲擊現(xiàn)象。因此敲擊出現(xiàn)的門(mén)檻[7－8]可由下式表示：

1.2 敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)

在實(shí)際工程應(yīng)用中由于從動(dòng)齒輪阻滯力矩不易獲得，Padmanabhan C[9]提出了以發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和從動(dòng)齒輪角加速度為基礎(chǔ)的敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)：

對(duì)于臺(tái)架試驗(yàn)而言，變速器輸入軸花鍵與臺(tái)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(dá)式：

根據(jù)以上理論可知，非承載從動(dòng)齒輪的角加速度可以用來(lái)表征齒輪敲擊現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中可以采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)速微分即可獲得角加速度值，進(jìn)而對(duì)變速器齒輪敲擊進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)工況

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

本次試驗(yàn)在帶有半消聲室的變速器NVH 試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。半消聲室滿足《GB/T 6882－2016 聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)消聲室和半消聲室精密法》中的相關(guān)要求；臺(tái)架驅(qū)動(dòng)電機(jī)為低慣量電機(jī)，滿足高頻波動(dòng)扭矩加載要求，控制精度為±1 Nm；驅(qū)動(dòng)端扭矩傳感器測(cè)量精度為±0.05%FS（Full Scale滿量程）。

根據(jù)整車試驗(yàn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，低擋位不易發(fā)生敲擊現(xiàn)象，因此試驗(yàn)工況中擋位為4～7擋；發(fā)生敲擊的典型轉(zhuǎn)速為中低轉(zhuǎn)速，因此試驗(yàn)輸入轉(zhuǎn)速為設(shè)定為起始1 000 r/min，以固定轉(zhuǎn)速100 r/min 為步長(zhǎng)，最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min；結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的內(nèi)容，平均扭矩對(duì)敲擊影響較小，因此平均扭矩定為100 N·m；波動(dòng)扭矩對(duì)敲擊影響更為明顯，波動(dòng)扭矩可根據(jù)變速器實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整，本次試驗(yàn)按±80 N·m 進(jìn)行；根據(jù)變速器潤(rùn)滑油油溫高，黏度小的特性，油溫高，更易發(fā)生敲擊現(xiàn)象，因此試驗(yàn)油溫選用變速器常用工作溫度100 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)波動(dòng)扭矩從0 N·m 線性變化至最大波動(dòng)扭矩值。在試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)試驗(yàn)工況均重復(fù)進(jìn)行3次測(cè)試，測(cè)試完成后檢查數(shù)據(jù)重復(fù)性，剔除異常數(shù)據(jù)。敲擊試驗(yàn)開(kāi)始前需進(jìn)行磨合工況，磨合完成后更換變速器油。最終，制定的試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 臺(tái)架敲齒部分試驗(yàn)工況

此外，根據(jù)企業(yè)動(dòng)力總成平臺(tái)發(fā)展規(guī)劃，所研發(fā)的雙離合變速器后期會(huì)匹配不同氣缸數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)加載頻率f根據(jù)被試件匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)N和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n決定。驅(qū)動(dòng)電機(jī)加載頻率計(jì)算如下所示：

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)為4 缸時(shí)，加載頻率為發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)為3缸時(shí)，加載頻率為發(fā)動(dòng)機(jī)1.5階激勵(lì)。本次試驗(yàn)采用2階激勵(lì)頻率。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)傳感器布置

根據(jù)齒輪敲擊試驗(yàn)要求，布置麥克風(fēng)測(cè)試變速器近場(chǎng)噪聲，布置振動(dòng)傳感器測(cè)試變速器振動(dòng)，布置轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。

圖2 臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置情況

2.2.1 麥克風(fēng)布置

以車輛坐標(biāo)系為準(zhǔn)，分別在被測(cè)變速器的前方、左側(cè)、上方和后方布置4個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)，前、后、左3個(gè)測(cè)點(diǎn)的高度與變速器輸入軸等高。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置的麥克風(fēng)以零入射角對(duì)準(zhǔn)被測(cè)面，且距離變速器外包絡(luò)面約500 mm處。麥克風(fēng)的測(cè)量頻率范圍為20 Hz～20 kHz，在試驗(yàn)前需用專用校準(zhǔn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2.2 振動(dòng)傳感器布置

振動(dòng)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(dòng)傳感器按車輛坐標(biāo)系標(biāo)注好方向，采用專用膠水粘貼牢固。振動(dòng)傳感器的測(cè)量范圍為±500 m/s2。

2.2.3 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器布置

試驗(yàn)前根據(jù)被測(cè)變速器軸齒的布置形式在變速器殼體合適位置開(kāi)孔并攻螺紋，目的是利用磁電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量各齒輪的轉(zhuǎn)速，螺紋尺寸由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器決定。殼體內(nèi)有擋油板，需要根據(jù)開(kāi)孔位置在擋油板上開(kāi)孔，孔直徑必須保證大于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器直徑。變速器殼體開(kāi)孔位置應(yīng)盡量避免肋板位置，避免對(duì)殼體結(jié)構(gòu)造成過(guò)大影響。如開(kāi)孔并安裝磁電式轉(zhuǎn)速傳感器后與臺(tái)架設(shè)備產(chǎn)生干涉，則酌情減少測(cè)點(diǎn)。安裝轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)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(jìn)行密封，避免漏油。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的最大測(cè)量范圍為100 kHz。

本次試驗(yàn)中，由于臺(tái)架布置及變速器結(jié)構(gòu)等原因，布置3、4、6、7 擋從動(dòng)齒輪以及上輸出軸、下輸出軸主減主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)已設(shè)置的試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，在該試驗(yàn)工況下，變速器各擋位均出現(xiàn)齒輪敲擊，其中敲擊較明顯的6、7擋數(shù)據(jù)分別如圖3～4所示。根據(jù)變速器的軸齒結(jié)構(gòu)，提取各擋位所在的輸出軸后軸承振動(dòng)情況來(lái)進(jìn)行分析。圖3所示為6擋輸入轉(zhuǎn)速1 400 r/min 時(shí)上輸出軸后軸承的振動(dòng)情況，在第29.26 s左右，振動(dòng)值出現(xiàn)明顯突變，產(chǎn)生敲擊現(xiàn)象。圖4 所示為7擋輸入轉(zhuǎn)速1 400 r/min 時(shí)上輸出軸后軸承的振動(dòng)情況，在第15.73 s左右，振動(dòng)值出現(xiàn)明顯突變，產(chǎn)生敲擊現(xiàn)象。

圖3 6擋1 400 r/min振動(dòng)Colormap

圖4 7擋1 400 r/min振動(dòng)Colormap

進(jìn)一步分析不同輸入轉(zhuǎn)速下相同擋位的齒輪敲擊情況。圖5～7 分別為7 擋輸入轉(zhuǎn)速1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min時(shí)，從動(dòng)齒輪角加速度及麥克風(fēng)Overall。從3幅圖中可知，麥克風(fēng)Overall 均產(chǎn)生突變，明顯產(chǎn)生了齒輪敲擊現(xiàn)象，圖5 敲擊大約發(fā)生在第10.87 s；圖6 敲擊大約發(fā)生在第18.18 s；圖7敲擊大約發(fā)生在第34.50 s。在3組數(shù)據(jù)中，變速器輸入端波動(dòng)扭矩的加載完全一致，即波動(dòng)扭矩

圖5 7擋1 400 r/min空套齒輪角加速度及麥克風(fēng)Overall

圖6 7擋1 800 r/min空套齒輪角加速度及麥克風(fēng)Overall

圖7 7擋2 200 r/min空套齒輪角加速度及麥克風(fēng)Overall

從0 N·m加載至±80 N·m，隨著輸入轉(zhuǎn)速的升高，出現(xiàn)敲擊的時(shí)間越晚。由這一現(xiàn)象可以判斷，相同擋位時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速越高，敲擊出現(xiàn)的門(mén)檻值越大，通過(guò)分析其他擋位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出相同的結(jié)論。

分析各從動(dòng)齒輪對(duì)敲擊噪聲貢獻(xiàn)程度。以7 檔輸入轉(zhuǎn)速2 200 r/min工況為例，根據(jù)式（5）給出的敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了各從動(dòng)齒輪的敲擊強(qiáng)度，結(jié)果如圖8所示。在加載初始階段未發(fā)生敲擊現(xiàn)象，因此從第30 s 開(kāi)始分析。從圖中可知，在第34.50 s時(shí)下輸出軸敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)E3發(fā)生突變，此時(shí)麥克風(fēng)Overall 也產(chǎn)生突變，敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)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(dòng)齒輪產(chǎn)生敲擊。隨著波動(dòng)扭矩的繼續(xù)增大，3擋從動(dòng)齒輪的敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)E3也呈現(xiàn)出一定變化，最大值為1 左右，但是麥克風(fēng)Overall 曲線變化并不明顯，即3擋從動(dòng)齒輪敲擊對(duì)整體敲擊噪聲的貢獻(xiàn)量不大。結(jié)合圖7和圖8的內(nèi)容可知，所采用的敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠準(zhǔn)確判定齒輪敲擊情況。此外，4、6 擋從動(dòng)齒輪敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)E3幅值較小并且在整個(gè)加載過(guò)程中均未發(fā)突變。根據(jù)這個(gè)結(jié)果可以得出結(jié)論：雙離合變速器非工作軸的擋位從動(dòng)齒輪對(duì)敲擊的影響較小。對(duì)于濕式雙離合變速器而言，非工作軸在雙離合器帶排轉(zhuǎn)矩和內(nèi)外軸間滾針軸承的摩擦力矩帶動(dòng)下會(huì)有一定的速度，但是輸入軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)于非工作軸的影響程度有限。

圖8 7擋2 200 r/min敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)

以齒輪敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)E3為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了不同輸入轉(zhuǎn)速下各擋位出現(xiàn)齒輪敲擊時(shí)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(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示，結(jié)果印證了結(jié)論：輸入轉(zhuǎn)速越高，敲擊門(mén)檻值越大。

圖9 各擋位不同轉(zhuǎn)速輸入軸角加速度

在后期的動(dòng)力總成匹配及整機(jī)噪聲控制方案設(shè)計(jì)時(shí)，以本次臺(tái)架試驗(yàn)得到的變速器敲擊閾值為參考，從發(fā)動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制、雙質(zhì)量飛輪匹配及變速器自身性能優(yōu)化等敲擊噪聲控制方法中尋找可行性高、成本低的技術(shù)方案，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)齒輪敲擊門(mén)檻理論，采用了以輸入軸角加速度均方根和從動(dòng)齒輪角加速度均方根比值的齒輪敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合文獻(xiàn)資料和整車試驗(yàn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，制定了臺(tái)架齒輪敲擊試驗(yàn)工況，并在變速器NVH試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明變速器各試驗(yàn)擋位均出現(xiàn)齒輪敲擊現(xiàn)象。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：雙離合變速器非工作軸的齒輪對(duì)整體敲擊噪聲貢獻(xiàn)量較??；相同擋位時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速越高，齒輪敲擊的門(mén)檻值越高；采用的敲擊評(píng)價(jià)指標(biāo)能準(zhǔn)確判斷出現(xiàn)敲擊的時(shí)刻，基于該判斷條件統(tǒng)計(jì)出了各擋位出現(xiàn)敲擊時(shí)的輸入軸角加速度，為變速器噪聲控制提供了參考依據(jù)。