某车型怠速开空调时变速器异响问题研究

张 亮刘金强罗 津朱志国黄振霞

（1.上海交通大学，上海 200240；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

某车型怠速开空调时变速器异响问题研究

张 亮1，2刘金强1，2罗 津1，2朱志国1，2黄振霞1，2

（1.上海交通大学，上海 200240；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

文章介绍了针对某车型怠速开空调时变速器内部产生的异响进行的研究，包括故障分析、数据测试、原因分析、方案制定、对比测试等，最终通过对离合器从动盘预减震刚度系数进行调整，解决了异响问题。

变速器；异响；离合器从动盘；预减震刚度系数

1 前言

改革开放三十五年来，中国已经由自行车王国逐步向汽车王国过渡，汽车年销量从2009年首次突破1000万辆以来，已经连续六年领跑全球汽车市场，2014年更是以2486万辆的终端销量雄踞全球第一。汽车在中国已经成为人们工作、生活、休闲和旅游活动中不可或缺的工具。巨额的汽车保有量和井喷式的增长，让所有汽车企业受到巨大的鼓舞，各大车企纷纷扩大产能，更有互联网等其他行业人士觊觎汽车市场的巨大蛋糕，开始涉足汽车市场，这必将导致竞争加剧，各车企只有开发出令用户满意的产品才能在日益激烈的市场竞争中站稳脚跟。

随着中国汽车市场的日趋成熟，用户对汽车的了解越来越深入，要求也越来越高，汽车的动力性、燃油经济性及NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能成为用户选车时的重要考核因素。而NVH将时刻影响用户的用车体验，无疑是提升用户驾乘体验的关键项，其中，噪音、异响又是用户感受最明显的问题，因此需要车企重点关注、解决。

2 背景简介

某车型上市后接到部分用户反馈，车辆在静止状态下怠速开空调时，变速器内部有“哒哒哒”的齿轮打齿声音，关闭空调时异响消失，行驶过程中则未发现有此问题。用户对此抱怨很大，要求车企快速解决。

3 故障分析

根据客户的反馈及现场测试故障车，发现车辆在正常启动时并无异常，但当变速器位于空挡时开启空调，在车内能即可听到轻微的“哒哒哒”齿轮撞击声，车外则相对更明显，随着发动机及变速器的运转，水温、油温的升高，“哒哒哒”声音逐步加强。

此时踩下离合踏板，使变速器与发动机断开从而停止运转，异响声音则立即消失，由此可以判断异响来自于变速器内部。

而踩下离合挂上一档，缓慢松离合，异响声音便随着离合的缓慢结合而变小，车一动起来异响就完全消失。由此可见异响只有在齿轮空转时才有，一旦加上负载即消失。

停车挂回空挡并放开离合踏板后，异响再次出现，此时轻踩油门踏板，将发动机转速提高到1000rpm左右时，异响声音再次消失，由此可以判定该异响与发动机的转速有一定关系。经查询该车型发动机相关参数，其怠速时发动机的转速设计为750rpm，因此，如果能将发动机怠速提升到1000rpm则能解决该问题，但如此将增加该车型的怠速油耗，在油耗法规愈加严格的当下，此举显然不合时宜，需要另寻解决方案。

经过现场对异响车辆的故障排查，得出如下结论：该异响来源于变速器内部，与发动机转速、齿轮是否有负载以及是否开空调有关。但这只是故障的表象，要找到产生异响的根源才能有针对性的制定解决措施，因此我们对故障车辆进行了各项数据测试。

4 数据测试

异响的产生主要来自于震动、碰撞等，故障车辆所表现出来的“哒哒哒”声音来自于变速器内部，而在变速器内部唯有齿轮的啮合会产生震动和碰撞，因此我们在进行数据测试时选择了加速度传感器，并贴于变速器壳体上，同时考虑到发动机在高速运转中也会产生震动，而且是主要的激励源，因此我们在发动机缸体上也装上了加速度传感器，同时在靠近变速器的地方装上音频传感器（麦克风），以便更准确的记录异响故障发生时的各项参数。三个传感器的布置如图 1所示：

图1　加速度传感器和音频传感器的布置

将传感器的另一端与LMS 16口前端仪器连接并接入电脑，运行lms.test.lab软件，测试故障车怠速开空调和关空调工况下的加速度及音频数据：

相关的测试数据如图2所示：

（1）变速器旁的噪音数据，中间段是关闭空调时的音频数据，左右两边是开启空调时的音频数据，可以很明显的看出异响的区间：

图2　变速器旁的音频数据

（2）图3、4、5分别是变速器壳体的X、Y、Z向加速度数据，中间段是怠速关闭空调时三个方向的加速度值，左右两边是怠速开启空调时三个方向的加速度值，由此可以看出变速器内部的“哒哒哒”异响声音和变速器的各向震动完全正相关，即震动大的时候异响也大：

图3　变速器壳体X向加速度数据

图4　变速器壳体Y向加速度数据

图5　变速器壳体Z向加速度数据

（3）图6、7、8分别是发动机缸体的X、Y、Z向加速度数据，中间段是怠速关闭空调时三个方向的加速度值，左右两边是怠速开启空调时三个方向的加速度值：

图6　发动机缸体X向加速度数据

图7　发动机缸体Y向加速度数据

图8　发动机缸体Z向加速度数据

5 原因分析

由以上三组测试结果并结合现场进行的故障模式排查可知：发动机缸体的震动和变速器壳体上的震动完全同步，并且都和异响声音正相关。

因此初步分析故障原因如下：发动机作为动力源，同时也是震动源，将震动（加速度）经离合器传递到了变速器，变速器中的主被动齿轮在没有负载空转时，主动齿带动被动齿运转，在不开空调的情况下，发动机的输出较平稳，震动幅度（各向加速度值）也比较小，此时变速器内部主被动齿轮之间的啮合也比较平顺，冲击较小，声音也较小。但当在怠速开启空调时，由于发动机需带动空调压缩机旋转，所需功率加大，发动机负荷增加，而转速的提升（设计为提升100rpm）所增加的功率不足以抵消空调压缩机所需的功率，此时发动机的运行工况变得恶劣，导致其对外输出的转速波动变大，震动加剧，而位于传输通道上的离合器未能将该震动过滤掉，因此传递到了变速器输入轴上的主动齿上，由于变速器主被动齿轮间存在无法消除的间隙，在输入轴主动齿转速波动时（即旋转加速度时大时小甚至时正时负），被动齿由于没有负载，其自身的转动惯量非常小，就会很容易被主动齿来回敲击，从而产生“哒哒哒”异响，特别是随着水温油温的升高，齿轮油的阻尼会变小，被动齿在旋转过程中受到的阻力就变小了，从而更容易被主动齿来回敲击，这也解释了故障排查时出现的“随着发动机及变速器的运转，水温、油温的升高，“哒哒哒”声音逐步加强”。

当挂上档结合离合器时，变速器中的被动齿轮已经和传动系统连接，即加载有负载，其当量转动惯量变得极大，所以被动齿已不能再自由转动，主动齿也没有足够的力来回敲击被动齿，因此异响消失。

而在异响时踩下油门踏板将发动机转速提高到 1000rpm时，由于此时发动机的输出功率已经可以满足因带动空调压缩机旋转所需的功率，因此发动机运转工况变好，转速波动幅度降低，震动减弱，从而使传递到离合器的震动也减弱，因此变速器内部主被动齿轮间的敲击声也减弱至消失了。

6 方案制定

根据以上的分析可知，发动机的输出转速波动是导致异响的根本原因，而离合器的减震不足及变速器主被动齿轮间的间隙是异响发生的次要原因。

要解决该问题，可以从以下四个方面寻找措施制定方案：

（1）抑制根本原因：即降低发动机的转速波动，可以通过使用双质量飞轮的方式使发动机对外输出的转速波动降低，运行更加平稳，但由此将导致大量的成本增加，并且发动机需要重新验证，离合器变速器等需要重新设计匹配，这将导致巨额的投资费用产生，不符合我公司“低成本、高价值”的理念，因此该方案不可行；

（2）抑制异响的产生：即消除变速器主被动齿轮间的间隙，但两个有相对运动的零件之间完全没有间隙几乎是不可能的，即使将该间隙缩小也必须将整个系统的加工精度提高很多，该方案也会使零件成本增加很多；

（3）抑制异响的传播：即阻断声音的传播，即使有异响，但是不让用户听见，可以考虑提升整车的隔音性能，但该方案除了会增加整车成本外，依然不能解决在车外能听到异响的问题，因此仍不可行；

（4）阻断异响产生的路径：即调整离合器的参数使其能更好的过滤掉发动机输出的震动，使传递到变速器处的震动不至于引起主被动齿轮的打齿异响；

从上面的四个方案可以看出，通过调整离合器的参数来解决问题是更改量最小且成本最低的方案，对离合器内部的参数调整可能都不涉及成本变更，因此是公司最能接受的方案。

调整离合器的哪些参数，如何调整，这是方案的核心。该车型采用的是膜片式离合器，由离合器盖和离合器从动盘组成，其中离合器从动盘上带有两级减振弹簧，主要起到减小输出速度波动和缓解冲击力的作用，因此弹簧参数的好坏直接影响离合器减振性能的好坏，从而影响输入至变速器的转速波动的大小。经查验相关设计文档，该离合器从动盘第一级弹簧正向扭转刚度是0.5±0.3 N·m/ deg，由于发动机为4缸4冲程汽油发动机，怠速转速为750rpm，经计算系统的一阶固有频率为17Hz，而离合器从动盘的设计必须使传递到变速器的一阶固有频率避开这个数值，可以小于17Hz，也可以大于 17Hz。而该离合器从动盘减振弹簧刚度设计值是 0.5 N·m/deg，其对应的固有频率为 19.7Hz，没达到避开 17Hz的要求，因此部分车辆会出现共振异响（由于刚度范围0.2～0.8N.m/deg之间，因此部分零件满足要求而未出现异响）。

7 CAE分析

为了确认离合器预减震刚度系数是大于 17Hz还是小于17Hz，并分析该方案的理论可行性，首先计算了以下四组离合器从动盘预减震刚度系数对应的一阶固有频率：

表1　四组不同离合器从动盘预减震刚度系数对应的一阶固有频率

根据发动机、离合器、变速器各项参数创建动力系统的动力学模型，将以上四组数据输入，从而模拟出在装配以上四种离合器从动盘，发动机怠速时传递到变速器的扭振角位移振幅：

图9　发动机怠速时四种预减震刚度的离合器从动盘传递到变速器的扭振角位移振幅

由图 9可以看出，离合器从动盘预减震刚度系数为0.5N.m/deg时，传递到变速器的扭振角位移振幅最大，系数越小，振幅也越小。

但当系数远大于0.5N.m/deg达到4.8N.m/deg时，传递到变速器的扭振角位移振幅同样减小。为了验证从动盘预减震刚度系数大于0.5N.m/deg时是否同样满足要求，再对各转速下的最大角位移振幅进行了模拟分析，结果如下图所示：

图10　各转速下四种从动盘传递到变速器的最大角位移振幅

由图 10可知，离合器从动盘预减震刚度系数小于等于0.5N.m/deg时，随着发动机转数的升高，其传递到变速器的最大角位移振幅逐渐衰减并趋近于 0，而当该系数为4.8N.m/deg时，虽然在怠速阶段其传递到变速器的振幅小于0.5N.m/deg，但该振幅却并不随着发动机转速的上升而衰减，甚至在接近2000rpm时出现另一个共鸣峰值，因此离合器从动盘预减震刚度系数大于0.5N.m/deg的方案不可取，建议将其设定为0.5N.m/deg以下。

8 对比测试

为了验证理论分析的准确性，离合器供应商提供了两套从动盘预减震刚度系数分别为0.23N.m/deg和0.78N.m/deg的样件，将两套样件分别装配到故障车上进行各向加速度测试后，结果如图11、12、13所示：

图11　两种离合器从动盘开关空调时X向加速度值

图12　两种离合器从动盘开关空调时X向加速度值

图13　两种离合器从动盘开关空调时X向加速度值

由上面的测试结果可以印证前期方案及CAE分析的准确性，因此最终方案定为更改离合器从动盘的预减震刚度系数，并将其值设定为0.5N.m/deg以下，为了验证该方案的实际效果，对售后用户反馈存在该问题的车辆进行了新状态离合器从动盘更换并跟踪，更换结果见表2：

表2　售后故障车更换新状态离合器从动盘跟踪

经过实际的验证，上述所制定的方案有效，因此正式完成设计更改，将离合器从动盘预减震刚度系数设计成小于0.5N.m/deg。

9 结语

异响是汽车传动系统中常见的故障模式，而变速器由于内部齿轮众多，啮合工况复杂，是较容易产生异响的零件。但是要解决变速器发出的异响，却不一定非要对变速器进行设计更改，遇到此类问题时应该首先对故障现场诊断，并进行必要的数据测试，分析原因，找到故障产生的根源，并针对性的制定措施并验证、实施。

[1] J.厄尔贾维克.汽车手动变速器和变速驱动桥[M].北京:北京机械工业出版社,1997.

[2] 余志生.汽车理论(第 3版)[M].北京:机械工业出版社, 2000.

The study of transmission abnormal noise when the air conditioning idles in a vehicle

This paper introduces the research on abnormal noise generated inside a vehicle transmission when the air conditioning idle is carried out, including the failure analysis, test data, CAE simulation, cause analysis, plan formulation, comparison test and so on, finally through the damping coefficient of clutch driven plate adjustment, solves the problem of the abnormal sound .

Transmission;abnormal noise;clutch driven plate; damping coefficient

U463

A

1008-1151(2015)06-0054-04

2015-05-15

张亮（1983－），男，上海交通大学在读在职研究生，上汽通用五菱汽车股份有限公司新车型开发产品工程经理，中级工程师，研究方向为车辆工程。