某柴油车怠速爬行异响分析及优化

黄鼎友，任明辉，王思祖，许静超

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



某柴油车怠速爬行异响分析及优化

黄鼎友，任明辉，王思祖，许静超

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

使用手动变速箱离合器的车辆，在怠速爬行工况时，往往由于离合器本身结构的原因，不能起到减振的效果，从而导致变速器异响，影响整车NVH特性。以国产某SUV柴油车为例，分析其怠速异响产生机理，通过改变扭转减振器的扭转刚度、摩擦阻尼、预紧力矩及刚度级数等参数，优化离合器扭转特性曲线，并进行车辆试验，使用扭振分析仪测试扭振变化，采用等级评分法对怠速爬行噪声进行主观评价。最终获得一种大转角、异阻尼、三级减振离合器方案，从根本上缓解了车辆怠速爬行异响状况。针对该车进行的改进方法和新结构亦适用于任何使用带有扭转减振器从动盘结构的车辆。

车辆工程；怠速爬行异响；扭转减振特性；大转角；异阻尼

近年来，伴随着社会对车辆使用经济性要求的重视，汽车消费者对车辆乘坐舒适性的要求也在提高。汽车生产商开始越来越多的开发柴油发动机汽车，以满足消费者对经济性的要求；但是柴油发动机往往振动和噪声较大，极大的影响了消费者对整车NVH特性的评价[1]。

安装扭转减振器的从动盘结构，除具有离合器要求传递和切断动力的主要功能以外，还可以降低发动机产生的扭转振动向变速箱的传递。某国产2.4T柴油发动机SUV使用具有扭转减振器的从动盘结构，针对该车辆Creeping工况(车辆在1挡或2挡怠速平地行驶)出现的变速箱异响问题，分析其产生机理，通过4次逐步优化的试验探索，明确了通过降低扭转刚度和摩擦阻尼，增大最大扭转角的方法，以达到优化怠速爬行异响工况的目的。实现了在不改变离合器空间和保证较低成本的前提下，设计了一种可广泛推广的离合器从动盘新结构，明显的改善了车辆怠速爬行异响问题。

1 Creeping工况扭振分析

1.1 怠速爬行异响

使用手动变速箱离合器的车辆，当发动机在怠速工况时，由于发动机转速呈周期性的变化会造成传动系的扭转振动，从而引发变速器齿轮轮齿间的撞击，撞击引发了振动，振动经过轴、轴承传到箱体，再由箱体转变成人们听到的噪声。即所谓的怠速噪声[2]。当车辆以1挡或2挡怠速工况平地行驶时，变速箱产生的噪声就被称为怠速爬行异响(Creeping Noise)。

随着汽车消费者对整车NVH要求的不断提高，该异响越来越被关注并作为整车动力总成NVH考核的重要标准。在控制产生此类振动和噪声的5个主要方面中，改变离合器扭转减振器参数是最为可行且极为方便的方法[1]。故分析研究怠速爬行异响并寻找经济可行的离合器改进方案具有重要的现实意义。

1.2 怠速爬行异响产生机理

离合器正常发挥扭转减振的作用，需要其形成如图1中的平行四边形的循环工况，即减振弹簧在拉伸和压缩的过程中启动阻尼摩擦以衰减输入扭振。经过正常弹簧消振后的扭振输出幅度会有明显的降低。

图1 扭转减振器工作过程Fig.1 Work process of torsion damper

车辆在1/2挡Creeping工况下，发动机为了克服行驶阻力需要输出扭矩9～15 N·m；一般情况下，离合器从动盘设计预减振承扭在3～6 N·m(经测试可知试验车预减振扭矩为4 N·m左右)。在Creeping工况下，由于发动机输出扭矩的影响，预减振弹簧处于压紧状态(由于限位设计，弹簧不会完全并死)，而主减振弹簧由于扭转刚度和摩擦阻尼较大，以及自身预紧的影响，发动机的输出扭矩超过预减振且未达到主减振开始起作用数值，此时就好像出现了减振“空挡期”，离合器减振机构不参加工作，失去正常的扭转减振功能。由发动机侧输入的扭振会无损耗的经离合器传递至后续的传动系统[3]。此时即产生变速箱异响。大量实车匹配试验表明，如果车辆存在怠速爬行异响，那也必然会存在类似怠速异响、加速异响以及倒拖异响等综合行驶工况的NVH抱怨。

值得强调的是，变速箱的制造水准(齿轮啮合面的加工精度等)对怠速爬行异响起决定性的作用，如果要想解决怠速爬行异响问题，除了控制源头——发动机振动之外，提高变速箱的制造水准才是根本；但是，离合器作为起传递动力和消减振动作用的部件，如果匹配合理，同样可以起到降低怠速爬行异响的效果。

2 离合器扭转减振器特性分析

2.1 扭转减振器特性曲线

图2为离合器扭转减振器特性曲线。该扭转减振器具有四级刚度、四级阻尼特性。

图2 扭转减振器特性曲线Fig.2 Characteristic curve of torsion damper

图2反映了扭转减振器特性的一些参数，垂直线表示从一级进入到另一级需要克服的弹簧预紧力矩；两斜线间的间隔反映了减振器工作时的摩擦(摩擦阻尼)；曲线在水平坐标轴上的距离表示离合器从动盘毂花键中的间隙，反映扭转减振器各级减振可作用的角度。

在设计离合器从动盘的减振特性时，主要是根据相应工况发动机所需传递的扭矩范围，选择合适的弹簧刚度和摩擦阻尼矩，以起到相应工况最好的隔振效果。在怠速工况下，较低的预减振扭转刚度和摩擦阻尼有利于降低怠速振动；减小主减振弹簧预紧力矩使扭转减振器尽快由预减振期过渡到主减振期，从而降低怠速工况噪声和振动[4]。但是，主减振刚度过小会损害离合器的有效承扭，通过改变扭转减振器结构，增大最大扭转角可以弥补承扭不足的缺陷[5]。

2.2 原车离合器扭转特性

试验车为2.4T，5MT柴油SUV，其驱动形式为FR。

使用Rotec 扭振分析仪测试怠速爬行工况扭振。安装2根转速传感器，一根安装在发动机飞轮启动齿圈侧，用于测量发动机的输入扭振；一根安装在变速箱输入轴侧，测试经过离合器衰减后的输出扭振，测试结果如图3。后面离合器的4种改进方案中也采用此种方法测试。

图3 Creeping工况(原)Fig.3 Creeping condition (previous)

图3中，Disc angle表示离合器从动盘相对扭转角；ENG RPM表示发动机转速；ENG 2nd Ord表示发动机侧二阶扭振；TRS 2nd Ord表示变速箱侧2阶扭振。用2阶扭振评判振动程度。

1) 从图3中可以看出，发动机侧2阶扭振均相对平稳(600 rad/s2)，但是变速箱侧2阶扭振(蓝色曲线)波动尤其剧烈(150～780 rad/s2)，主观评价上此时的怠速爬行异响非常明显。

2) 从离合器从动盘相对扭转角曲线看，其顶部峰值与变速箱侧2阶扭振峰值时刻一致，在该工况下离合器从动盘工作在拐点位置，俗称“撞墙”，此时预减振弹簧并死，而主减振弹簧尚未启动，离合器对发动机振动不起衰减作用。从离合器从动盘相对扭转角底部峰值看，摆动幅度达到7°左右，显示预减振弹簧撞墙后回弹的角度很大，而每次的回弹峰值的周期在3 s左右，和发动机燃油喷射调整时间比较吻合，这主要取决于发动机控制策略的调整。

3) 从数据分析的结果看，改进方案的方向就是要避免离合器减振弹簧“撞墙”，即尽量让减振弹簧正常扭转工作以达到消振作用，降低发动机的输入扭振，从而达到降低变速箱Rattle异响的异响。

3 改进方案及试验

3.1 试验方法及评价车辆噪声主观评价方法

以往的汽车噪声研究大多以A计权声压级作为评价指标，使之满足日益严格的标准和法规要求。但A声级标准没有深入地考虑车内噪声的声学品质特性，不能全面反映汽车噪声对人的骚扰性。而声品质[6]反映了作为评价主体的人对特定环境下噪声的主观感受，可以较为真实地反应车辆噪声的品质。

常用的噪声品质主观评价方法主要有等级评分法(Magnitude Estimation)和成对比较法(Paired Comparison)[7]。国外在这方面的研究较早，较常用的等级评分法等级划分如表1。国内研究人员结合我国文化环境和研究现状，在其基础上研究了符合我国现状的等级划分[7-8]，如表2。笔者的研究中即采用这种等级划分，评价者为有多年车辆噪声试验经验的试车工程师。使用扭矩特性试验机测试从动盘扭转减振特性；使用Rotec扭振分析仪测试发动机侧扭振和变速箱侧扭振。

表1 等级评分法(国外)

表2 等级评分法(国内)

3.2 匹配试验

根据分析，确定了4种离合器改进方案，对每次改进均进行两种试验：从动盘扭转减振特性测试和车辆振动试验。

方案1：原车匹配的离合器，在预减振向主减振过渡点位置存在10 N·m左右的预紧扭矩，这就意味着怠速爬行工况下，发动机输出扭矩在达到预减振极限承扭后还必须击破该预紧扭矩才有可能启动部分主减振阻尼。因此方案1的设想就是通过消除主减振弹簧的预紧扭矩，使该工况下的发动机输出扭矩能够启动部分主减振阻尼来消耗发动机输出振动能量，从而达到衰减扭振峰值的目的。方案1扭转特性如图4。

图4 方案1扭转减振器特性曲线Fig.4 Characteristic curve of torsion damper 1

方案1结论：相比原车自带离合器，1挡爬行异响基本无改善，2挡爬行异响有改善，主观评价分数如图5。但是单纯通过降低主减振预紧的方法无法有效达到衰减扭振的作用。

图5 噪声测试主观评价Fig.5 Subjective evaluation of noise test

方案2：在原设计基础上，通过设计改进，采用2级主减振刚度，其中1级刚度为4 N·m/(°)，阻尼降低至(5±1)N·m，同时消除主减振预紧。由于产品结构上的限制，无法形成阻尼的独立控制，即1级和2级减振阻尼相同，这对正常的驱动工况会产生一定的负面影响。此次改进的目的是通过降低主减振拐点位置的刚度和阻尼，尽量在怠速爬行工况下启动尽量多的1级主减振阻尼来达到消减扭振的目的。方案2扭转特性如图6。

图6 方案2扭转减振器特性曲线Fig.6 Characteristic curve of torsion damper 2

方案2结论：主观评价有较明显的改善，1挡和2挡噪声测试评分均为6分，如图5。初步确定改进方向，通过减小拐点位置附近的刚度和阻尼以达到消减扭振的目的。

方案3：仍然采用2级主减振，但是对刚度和阻尼特性继续调整，1级刚度为2 N·m/(°)，主减振阻尼降低至(2±1)N·m。同时消除主减振预紧。方案3扭转特性如图7。

图7 方案3扭转减振器特性曲线Fig.7 Characteristic curve of torsion damper 3

方案3结论：改善非常明显，1挡爬行工况噪声测试主观打分由原来的4分提高到7分，2挡爬行工况噪声测试主观打分由4分提高到7.5分，如图5。

经过3次试验验证方案，可以得出结论，降低主减振的刚度和阻尼特性可以实现优化爬行异响的目的，但是过低的主减振刚度和角度会降低离合器的有效承扭，而过低的摩擦阻尼不利于驱动工况减振效果[9]。原来的离合器结构(最大扭转角度22°)很难兼顾各种匹配工况。

方案4：在原来结构基础上，增设一组小弹簧和一块附轴套板，小弹簧嵌套在原有的弹簧内，并利用预减振轴套板与附轴套板的先后作用使不同刚度的弹簧分先后压缩，作为新增一级(第2级)减振效果的作用元件。这样，三级减振各自具有独立的作用元件，形成一种串联的结构形式。与原结构相比，具有正向大角度，多级数，异阻尼的性能特点。第2级减振刚度为1.5 N·m/(°),阻尼为(2±1)N·m，能够使离合器第2级减振弹簧在怠速爬行工况下达到最大的减振功效。方案4扭转特性如图8。

图8 方案4扭转减振器特性曲线Fig.8 Characteristic curve of torsion damper 4

全新设计的大转角离合器具有三级减振，三级阻尼独立控制的特性。第1级减振用于原地怠速工况；第2级减振用于怠速爬行工况，第3级减振用来正常行驶时驱动/拖动工况。

方案4结论：1挡和2挡爬行工况噪声测试主观打分均为9分，如图5，主观评价已很难感受到异响。同时，通过全新的设计，使得正向最大扭转角度增加至32°，完全可以满足离合器正向传递扭矩的目的。由于增加一级新的减振用于怠速爬行工况减振，使得减振弹簧能够在该工况最大化的降低发动机扭振。从图9中变速箱侧2阶扭振的曲线可以看出，经过离合器减振后的输出扭振峰值明显降低，且输出扭振在时间历程上变得非常明显的缓和(可以和改进前的图3对比)。

图9 Creeping工况(方案4)Fig.9 Creeping condition (scheme 4)

同时，另有测试结果显示，改进后的1级和3级减振特性同时改善了快抬离合器踏板产生的Clock异响、冷车怠速异响以及驱动工况传动系统共振。使得整车的NVH品质得到极大的提升。

4 结 论

1) 从离合器减振的角度分析了车辆怠速爬行异响产生机理：怠速工况下，发动机扭转输出较小，减振器不工作，发动机输出扭振不经衰减地传递到变速器输入轴，导致变速箱齿轮啮合产生噪音。

2) 使用了通过离合器减振特性优化来改善车辆怠速爬行异响的方法，通过降低主减振弹簧预紧扭矩、改变扭转刚度及摩擦阻尼的方法 ，实现了扭转特性的优化；很大程度上缓解了怠速爬行异响及振动。

3) 设计了一种从动盘新结构，在有限的空间内实现了大角度的多级减振性能，提升了整车NVH性能，为现有产品改进或今后新产品开发提供了重要的参考价值。

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Analysis and Optimization of Diesel Vehicle Creeping Noise

Huang Dingyou, Ren Minghui, Wang Sizu, Xu Jingchao

(School of Automotive & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In the creeping case of vehicle with clutch of manual gearbox, torsion damper is not able to reduce the vibration, due to the configuration of the clutch itself, consequently, which may affect the NVH of vehicle and lead to the abnormal noise. With regard of some domestic diesel SUV, the mechanism of creeping noise was analyzed. Optimization of the torsional vibration characteristics’ curve was carried out by use of adjusting the torsional stiffness of torsion damper, the friction damping, pre-tension torque, stiffness series, etc. In the meantime, vehicle trial was performed to measure the variation of torsional vibration with torsional vibration analyzer and the subjective evaluation of creeping noise was conducted with magnitude estimation. Finally, the strategy of a large turn-angle, variable damping and three-level clutch was acquired to radically solve the problem of creeping noise. The improved method and new configuration proposed is also appropriate to any vehicle with a torsion damper clutch.

vehicle engineering; creeping noise; torsional vibration characteristics; large turn-angle; variable damping

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.29

2013-05-29；

2013-07-08

黄鼎友(1963— )，男，江苏南通人，副教授，主要从事车辆噪声与振动控制方面的研究。E-mail：xuyi03461@163.com。

任明辉(1987— )，男，山东滕州人，硕士，主要从事车辆动力总成NVH特性方面的研究。E-mail：254762931@qq.com。

U 463.213

A

1674-0696(2015)05-145-05