某车型动力传动Thud噪声问题改善研究

虞健

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 20121)

0 引言

某车型造车过程中反馈某车型原地换挡(D～R、N～R、R～D)在热车情况下，能间歇性听到敲击声从后排座发出。如果声音品质能在试生产阶段得以优化，将对之后量产整车的驾乘感受有一定帮助。联合工程、质量对噪音进一步评估，分析此噪音为Thud。

1 问题分析

1.1 产生机理

为满足客户日益增长的动力性需求，发动机动力性持续提高。发动机输出扭矩波动和转速波动也随之增大。由于变扭器衰减能力的限制，导致发动机输入到变速箱的扭矩波动越来越大，输出扭矩波动和转速波动也随之增大。原地换挡过程中，发动机扭矩克服螺母与法兰，法兰与变速箱输出轴的摩擦力，引起花键敲击(敲击噪音频率范围在30 Hz～200 Hz)，通过传动系传递到后差速器模块，并通过结构传声到车内。

1.2 影响因素

从变速箱Thud噪声(原地换挡(D～R、N～R、R～D))产生的机理及传动路径来分析。

由图2整车动力流及扭矩传递路径来看，声源以及异响传递途径经发动机、变速箱、传动轴、差速器模块。

图2 整车动力流

影响Thud噪音的主要因素(如图1)有：

图1 变速箱Thud 噪声影响因素鱼骨图

(1)发动机曲轴扭振波动传导。

(2)变速箱离合器结合速率。

(3)变速箱输出端，法兰与输出轴摩擦，引起花键敲击产生噪音。

(4)整车隔声性能不足、传递路径衰减不足。

2 机理及措施研究

2.1 扭矩变化率

发动机2阶曲轴扭振波动的传递是Thud噪音的激励源。由标定调整怠速转速(650 r/min～750 r/min)，从而改变转矩，Thud噪音都没达到可接受的范围内。通过对比公司内其他发动机及竞品转速波动情况，故障车型发动机和竞品发动机输出的转速2阶角加速度大小相当。

2.2 离合器压力控制

调节离合器结合速率到最慢。由于为D档切换至R档时的敲击异响，变速箱结构得知，涉及主要离合器D结合以及离合器E释放，如图3。具体通过标定调节离合器充油速度以及压力，调低离合器结合速度，但对改善Thud噪音没有帮助。

图3 变速箱动力流

2.3 调查间隙

从图3变速箱动力流得知，D到R以及R到D的档位切换过程中，可能产生间隙异响的位置为1(直接超速档第三行星排)、位置2(输出轴行星轮)以及位置3(传动轴法兰齿隙)。

在变速箱体以及传动轴差速器模块交界处布传感器。由图4测试结果显示，在D档切R档以及R档切D档过程中，变速箱体内异响相对于传动轴差速器模块附近声音(200 Hz)频次低。初步确认，Thud异响来源于变速箱传动轴差速器模块结合面交界处。

图4 变速箱体、传动轴传感器检测结果对比

3 差异调查

确认针对DR RD异响的WOW以及BOB车辆。(WOW为Thud异响最恶劣样本，WOW为无Thud异响样本。)

3.1 差速器模块&传动轴

对换WOW以及BOB车的差速器模块以及传动轴，确认装配过程以及接口无差异。油温上升至60 ℃～80 ℃后，实测评估GMUTs结果：

(1)WOW车+BOB 差速器模块&传动轴，GMUTs 6.5；

(2)BOB车+WOW 差速器模块&传动轴，GMUTs 8。

评估结果表明，异响不跟随差速器模块以及传动轴。排除差速器模块&传动轴为异响源。

注：常规标准，异响评分10分制，主观感受GMUTs≥7符合整车厂出厂要求。

3.2 标定以及软件差异

检查并在WOW车上测试不同版本的变速箱造车标定。确认标定值对异响无影响。

由图580%cal与100%cal标定对比图得，D到R，R到D 异响经放大后均在700 Hz附近。检查换挡时机策略控制以及换挡执行控制标定，两版标定并无区别。

图5 由80%cal与100%cal标定对比

3.3 变速箱

在热车状态(变速箱油温80 ℃以上)确认WOW和BOB车辆，进行BOB&WOW车的变速箱&车辆ABA对换试验。由确认表信息获知主观感知异响跟随变速箱，客观声压值也显示异响跟随变速箱。BOB变速箱声压值在0.03 Pa，WOW变速箱声压值在0.13 Pa，如表1。

表1 变速箱Thud 噪声零件ABA确认表

由2.3检查间隙以及3.1差速器模块及传动轴排查结果指向潜在异响源为变速箱与传动轴连接处。

同款变速箱在不同车上有不同半轴链接方式。异响车型变速箱输出轴对比非异响车型变速箱，外部接口零件差异为增加法兰以及螺母。

一台类似输出结构ZF8at变速箱在BMW 330i有类似的Thud异响，主观GMUTs评估为6.5。

以上两项，再次辅证潜在异响源为变速箱与传动轴连接处。

4 Thud异响根本原因分析

分析变速箱输出轴接口零件法兰及螺母的受力状态，Thud异响解析，如图6所示。

图6 变速箱输出轴接口与法兰螺母端面受力分析

BOB：当变速箱输出轴法兰、轴以及螺母在冷态，Fr×r值低于输出扭矩导致Thud异响。当这些零部件随着热车温度逐渐增高，产生热膨胀效应。F1螺母夹紧力增加到一定程度，Fr×r大于输出轴扭矩T，没有Thud异响发生。

WOW：无论如何调节输出轴法兰、轴以及止退螺母、温度。Fr×r值始终小于输出扭矩造成Thud。

法兰颈部与输出轴间摩擦面上的粘滑运动推进力，是产生Thud异响的原因。推进力贯穿差速器模块以及尾部结构悬挂乃至整车。

5 潜在措施原理

(1)当输出扭矩大于Fr×r时，降低摩擦系数，输出轴/法兰以及止退螺母可以自由运动；

(2)增加F1，使得输出扭矩不会超过Fr×r；

(3)降低F1，初期原地换挡时，产生输出推动扭矩/推动力，如此轴、法兰以及止退螺母运动互相靠近；

(4)减小法兰颈部花键齿隙，降低摩擦面(输出轴与法兰颈)相对运动。

6 措施原理的应用及结果

6.1 在法兰与止退螺母间加4 mm厚度铁垫片

使用金属垫片有助于增大止退螺母的预紧力F1。增大预紧力的同时，螺母不至于崩裂。

4 mm铁垫片以及105 N·m螺母预紧扭矩下，Thud异响依然存在。

4 mm铁垫片以及157 N·m螺母预紧扭矩下，Thud异响在热机状态下消失。经多次尝试(10组，每次操作D到R，R到D20余次)，Thud异响回归，经拆卸发现法兰与垫片结合面磨损严重，如图7。

图7 止退螺母及金属垫片

金属垫片由于安装位置的不确定性，使之带来的预紧力随使用程度不同，时效不同，状态不稳定。

6.2 输出轴法兰止退螺母扭矩与异响的关系以及调试

在同款不同的车上做对止退螺母增减扭矩的试验。结果如表2所示。

表2 止退螺母预紧扭矩与Thud异响

如表2以及图8所示，虽然调整止退螺母预紧力至极端情况(极大200 N·m，极小0 N·m)，可以改善Thud异响。但止退螺母的预紧扭矩太小，则不能起到自锁作用，变速箱可能振动沿轴向移动，脱离原工作区，恶劣情况下会影响到传动轴上所有零件的正常工作。如预紧扭矩太大，止退螺母则会崩裂，同样产生功能失效。

图8 变速箱扭矩输出及同时止退螺母受力状态

6.3 在原止退螺母内螺纹上加黏合剂

在原止退螺母内螺纹上涂抹适量Locktite 272，从而增加螺母安装预紧力。WOW车辆：止退螺母安装预紧力为110 N。整车评估Thud异响为GMUTs6。在WOW车上，尝试使用带Locktite272胶体的止退螺母，但并不改变安装预紧力。胶液隔夜晾干，经评估整车Thud异响大为改善，达GMUTs8+。

6.4 在输出轴端面涂抹防卡润滑剂

在车辆启动以及原地换挡初期，由于变速箱输出轴需无阻滞地输出扭矩带动差速器模块、后悬结构工作，在法兰颈部与输出轴间摩擦面上涂抹防卡润滑剂能有效降低摩擦。但考虑到有换新设计法兰和螺母等措施的需求，仅在变速箱输出轴端(图9)加润滑剂与两端都加效果相同，同时耐久性能略优。实测原WOW车辆GMUTs6，输出轴端面经防卡润滑处理，Thud异响改善，GMUTs8+。

6.5 减小法兰颈部花键齿隙

调整法兰花键齿隙，以及齿厚(减小齿隙)，降低花键摩擦面的相对运动。在原WOW车上，替换安装小齿隙新花键零件，经评估Thud异响有效降低。

6.6 普氏矩阵

用质量工具普氏矩阵法确认长短期方案，如表3所示。

表3 综合设计方案评估表

从一轮普氏矩阵评估结果来看。目前矩阵内红色项标准综合评估得分低，不适宜用作解决措施。格状显示项可以组合成长短期措施加以应用。

因此，对于Thud变速箱异响的短期措施如下：

(1)在输出轴端面加注防卡润滑剂；

(2)110 N·m预紧力止退加胶(locktite)螺母的使用。

长期措施为：新设计减小法兰花键齿隙。

经数月的多番设计以及验证、释放，终于在车辆量产前完成长短期措施内所有新零件的同步定点、发布，从而整车声音品质得以有效提升。

7 结语

文中Thud变速箱异响的解决得益于可以从声源角度(异响产生于变速箱外部法兰结合面)展开可靠力学分析从而自声源加以措施改进声音品控。而且大量变速箱异响由于从声源查找或是设计改动不易，退而从改变声音传播途径着手进行分析、解决。从异响根除以及影响角度而言，找到声源并从声源降低异响是最为推荐的异响解决方案。提升整车声音品质的方案多种多样。总体解决方案需综合时间、成本等多项因素，同时也需要工程师在项目中的不断积累以及团队合作。