双离合变速器齿轮敲击的试验研究＊

马安康 顾灿松, 袁兆成 王东

（1.吉林大学，长春 130022；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

1 前言

汽车变速器的主要噪声包括变速器啸叫噪声、齿轮敲击噪声、同步环接合噪声、轴承噪声等。其中变速器齿轮敲击噪声不仅易使乘客烦躁不安，还容易被误认为是变速器故障。近年来国内外很多学者对变速器齿轮敲击问题进行了研究[1-6]，然而大多都是针对手动变速器齿轮，对双离合变速器的研究较少。双离合变速器由于换挡响应快、省油、结构简单等特点，越来越受到国内外车企的青睐，因此对双离合变速器齿轮敲击的研究具有现实意义。为此，针对双离合变速器的齿轮敲击现象进行了整车与台架试验的分析研究。

2 双离合变速器齿轮敲击试验

2.1 双离合变速器基本参数

试验样机为一台湿式双离合变速器，其结构如图1所示，包含6个前进挡和1个倒挡。1、3、5挡通过内输入轴驱动，2、4、6、R挡通过外输入轴驱动。各挡位间的换挡均是通过同步器接合实现。倒挡齿轮、2挡齿轮、主动齿轮处于常啮合状态，变速器处于2挡时，2挡齿轮依旧服务于该挡位，此时倒挡的同步器处于断开状态，而在倒挡时这种动作刚好相反，2挡齿轮此时起到了改变动力传递方向的作用。

图1 双离合变速器结构示意

2.2 试验工况及传感器布置

敲击试验分为整车试验和台架试验两部分，如图2所示。整车试验在整车半消声室的转鼓上进行，背景噪声低于20 dB（A）,利用便携式数据采集系统HEAD采集驾驶员双耳处及变速器近场噪声，试验工况包括2、3、4、5挡的节气门全开（Wide Open Throttle,WOT）工况和节气门部分开（PartialOpen Throttle,POT）工况，通过整车试验确定易发生敲击的工况，以便进一步进行台架试验。

台架试验在传动系统半消声室进行，背景噪声低于20 dB（A），利用数据采集系统LMS采集数据。驱动电机通过双质量飞轮与变速器连接，因对变速器齿轮敲击影响最明显的是发动机的2阶激励[1]，故将发动机的2阶激励作为激励源；在变速器前端、后端、左端、顶端布置近场和远场麦克风（变速器坐标与在整车上安装时一致）；在变速器壳体大平面、轴承附近布置三向加速度计；在每个挡位齿轮处打孔布置磁电传感器以获取转速信号。设置了润滑油温、激励频率、平均扭矩3个变量，研究每个变量下敲击的递变规律。

图2 整车与台架测试图

3 变速器齿轮敲击试验结果分析

3.1 整车试验结果分析

经过整车试验发现，在发动机转速为1 400～1 800 r/min之间各挡位下均有明显的敲击声。通过测取的驾驶员双耳处噪声与变速器近场噪声发现，在发动机转速范围内变速器近场同样出现了与驾驶员双耳处吻合的宽频带噪声，由此可判定车内敲击声来自于变速器敲击噪声。试验车型配置的是自动变速器，试验时将各挡位锁死进行WOT试验，经主观评价发现4挡时敲击现象最明显，故对4挡WOT工况进行重点研究。4挡WOT工况时的测试结果如图3所示，由图3可看出，在发动机转速为1 500 r/min时敲击声比较明显，这可能是由于四缸发动机的2阶频率正好激起传动系统的扭转模态，使得扭振振幅增大，进而敲击强度增大。

图3 4挡全负荷加速测试结果

3.2 台架测试结果分析

根据整车测试结果，选择敲击声比较明显时的发动机转速（1 500 r/min）作为台架试验分析的主要转速。由于敲击噪声在频谱图上呈现的是宽频特性，故在进行敲击强度评价时应排除发动机激励以及承载齿轮啸叫的影响。在研究润滑油温、激励频率、平均扭矩的影响时采用4挡1 500 r/min的工况，此时2阶激励频率f与4挡齿轮的啮合频率（1阶f1,2阶f2,3阶f3,4阶f4）是不变的，对应频率如表1。

表1 阶次频率表

台架试验所采用的双离合变速器为双输出轴结构，在评价敲击强度时采用距两个输出轴轴承相等位置（即变速器左中位置）的X向、Z向振动的RMS值作为评价指标。为排除2阶激励频率及齿轮啮合频率的影响，进行了敲击强度指标计算频率段R1、R2、R3的选取，如图4a所示。与此同时使用带阻滤波器对变速器左近场噪声频谱进行滤波，滤出R1、R2、R3对应的频率段频谱并分别进行回放，发现变速器敲击声均比较明显。由图4b可看出，3个频率段的振动RMS值随扭矩波动幅值的变化趋势基本相同，本文采用R3（3 584～4 648 Hz）的RMS值作为试验变速器的敲击强度指标。

敲击阀值是研究变速器齿轮敲击现象的一项重要指标，为此对4挡1 500 r/min工况进行了敲击阀值的主观评价，发现在扭矩波动幅值为60N·m时，敲击现象开始比较明显。而在图4b中，在扭矩波动幅值为60 N·m时敲击强度指标值会有一个突变，所以结合主观评价进一步验证了敲击强度指标的准确性。

图4 频率段的选取

3.2.1 润滑油温的影响

试验设置了40℃、60℃、80℃3个润滑油温度，驱动电机平均扭矩为100 N·m，平均转速为1 500 r/min，激励频率为50 Hz，为观察敲击的递变规律，扭矩波动幅值为10～90 N·m，步长为10 N·m。试验结果如图5所示。由图5可看出，变速器的敲击强度随润滑油温度的升高而变强，这是由于润滑油温度升高，粘度下降，使得空套齿轮所受的阻滞力矩变小[7]，进而使得敲击加剧，敲击强度指标值增大。

图5 润滑油温的影响

3.2.2 平均扭矩的影响

试验设置了50 N·m、100 N·m、150 N·m 3个平均扭矩，润滑油温为60℃，扭矩波动幅值变化为10～150 N·m，步长10 N·m，其它参数设置与润滑油温设置一致。当平均扭矩为150 N·m，扭矩波动大于100 N·m时，台架出现剧烈抖动，故只呈现10～90 N·m的测试数据。平均扭矩对变速器齿轮敲击的影响如图6所示，由图6可看出，扭矩波动幅值小于60N·m时，平均扭矩的变化对敲击影响不大；在大于60 N·m时，整体上呈现出随平均扭矩增大而敲击加剧的趋势。

图6 平均扭矩的影响

3.2.3 激励频率的影响

通过ETPS（发动机扭矩脉冲模拟）对转速与激励频率进行解耦，验证是否在50 Hz处存在模态耦合现象。设置了36.7 Hz、50 Hz、83.3 Hz 3个激励频率，润滑油温为60℃，其它参数设置与润滑油温的一致，试验结果如图7所示。由图7可看出，在扭矩波动幅值较小（小于40 N·m）时，变速器齿轮敲击强度随激励频率的变化不明显，当扭矩波动幅值大于40 N·m时，变速器齿轮敲击强度随激励频率的增大而减弱，在激励频率为50 Hz时未出现最大值。

图7 激励频率的影响

通过台架试验结果可知，润滑油温、扭矩波动幅值及激励频率对敲击强度的影响比较明显，而激励的平均扭矩对敲击强度影响较小。在实际解决变速器齿轮敲击问题时，可以通过降低润滑油温度及提高空套齿轮所受阻滞力矩来减弱变速器齿轮敲击强度；也可以通过降低扭矩波动幅值等方法降低变速器输入轴的扭矩波动，进而改善敲击现象。

4 相干分析

为进一步分析各挡空套齿轮对变速器齿轮敲击的影响，可将变速器视作一个敲击系统，6个前进挡以及R挡的角加速度信号是系统的输入，变速器壳体左中位置的振动信号是系统的输出。将各个挡位下空套齿轮的角加速度信号分别与变速器壳体左中位置三向振动的X、Z向信号作常相干分析，进一步求出各挡空套齿轮对变速器齿轮敲击的贡献量，从而确定出各挡空套齿轮对变速器齿轮敲击的影响程度。图8是2、3、4、5挡时各空套齿轮对变速器齿轮敲击的贡献量计算结果，由于X向、Z向计算结果只体现在数值上的不同，但是贡献量排序一致，故只以X向计算结果进行说明。

根据2、3、4、5挡的计算结果得出，对变速器齿轮敲击贡献量比较大的是：2挡时的4挡空套齿轮和3挡空套齿轮；3挡时的5挡空套齿轮和4挡空套齿轮；4挡时的3挡空套齿轮和6挡空套齿轮；5挡时的4挡空套齿轮和3挡空套齿轮。由上述分析可得，3挡空套齿轮和4挡空套齿轮对变速器齿轮敲击的贡献量较大，可以对3挡空套齿轮和4挡空套齿轮进行重点改进以减弱敲击现象。

5 结束语

针对双离合变速器齿轮敲击问题进行了整车试验与台架试验，确定出在4挡WOT工况下的敲击现象比较明显。利用所提出的敲击强度指标对润滑油温、平均扭矩、扭矩波动幅值及激励频率的影响进行了定量评价，得出润滑油温、扭矩波动幅值对敲击强度影响较大，通过降低润滑油温、降低扭矩波动幅值等方法可降低齿轮敲击强度。通过相干分析得出3挡空套齿轮和4挡空套齿轮是该双离合变速器齿轮敲击现象的主要贡献源，可通过改变其惯量、侧隙等方法减弱敲击现象。

[1]Barthod M,Hayne B,Te′bec J-L,et al.Experimental study of gear rattle excited by amulti-harmonic excitation[J].Ap⁃plied Acoustics,2007,68:1003-1025.

[2]廖芳,高卫民,顾彦,等.基于振动相对量法的齿轮敲击振动辨识[J].光学精密工程,2015,23(12):3430-3437.

[3]蔡龙生,楚俊楠,陈俐.基于包络解调的手动变速器齿轮敲击实验研究[J].传动技术,2013,27(2):38-45,48.

[4]张军锋.手动变速器齿轮敲击噪声的试验分析[D].上海：上海交通大学,2012.

[5]田雄,李宏成,吕先锋,等.基于传递路径试验分析的变速器敲击噪声化[J].振动工程学报,2010,23(6):642-648．

[6]陈思雨.一种新的齿轮非线性振动数学模型建模与分析求解研究[D].湖南:中南大学,2007.

[7]杨河洲,赵红宇,张明旭,等.柴油车变速器油液阻尼力矩测量及其对怠速异响的影响研究[J].汽车技术,2016(8):31-34.