双离合变速器台架敲齿试验研究

张 伟，柯 意

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

0 引言

双离合自动变速器因传动效率高、换挡速度快以及技术相对简单等优势，在国内自主研发变速器领域占据了重要地位。双离合自动变速器在运行时会产生啸叫和敲击噪声，敲击噪声是变速器非承载常啮合齿轮在发动机扭振作用下产生的齿面冲击现象，具有噪声级阶跃的特点[1]，会对变速器整体噪声产生较大影响。

邓庆斌等[2]采用定性研究方法，分析了离合器刚度、传动轴刚度、输入轴惯量等参数对齿轮敲击的灵敏度，为敲击噪声控制给出建议。郭栋等[3]进行了手动变速器台架敲击试验，结果表明发生敲击时变速器近场噪声上升3～5 dB，壳体振动加速度也明显上升。马安康等[4]通过整车测试确定了湿式双离合变速器敲击噪声的典型工况，采用该工况进行台架试验，分析了油温、平均扭矩和激励频率对敲击强度的影响，用相干分析确定了各空套齿轮对敲击强度的贡献量。鲜柳等[5]建立了考虑输入轴转速波动、轴承刚度非线性、齿轮啮合时变刚度和阻滞力矩的双离合变速器刚柔耦合模型，通过整车试验验证模型的有效性。吕锴等[6]用AMESim仿真与台架试验结合的方法确定了扭矩波动幅值、激励频率、油温、齿轮侧隙参数对双离变速器敲击强度的影响。综上所述，相关学者对变速器齿轮敲击有深入研究，对于本企业而言，需要了解处于研发初期的双离合变速器齿轮敲击阈值，并在发动机自身转速波动控制、双质量飞轮匹配及变速器自身性能优化等敲击噪声控制方法中寻找可行性高、成本低的技术方案。

本文根据齿轮敲击相关理论，制定了台架齿轮敲击试验工况，在变速器NVH试验台架上进行了齿轮敲击试验，统计出各挡位在不同转速下出现敲击的输入轴角加速度阈值，为变速器敲击噪声控制提供了参考。

1 齿轮敲击门槛理论及敲击评价指标

发动机在运动部件的惯性力矩和燃烧力矩作用下，曲轴所产生周期性的扭转振动会造成变速器输入轴的转速波动，变速器承载齿轮对在负载的作用下齿面紧密结合；而常啮合非承载齿轮对的从动齿轮处于空转状态，由于齿轮间存在侧隙，齿轮会在转速波动的影响下产生齿面冲击现象。

啮合空套齿轮啮合状态如图1 所示，由于齿轮间存在侧隙，齿轮面接触有3 种状态：工作面啮合（图中B面）、未啮合和非工作面（图中A 面）啮合，发生齿轮敲击时，齿面的接触情况在这3种状态中不断变化并产生冲击。

图1 啮合空套齿轮啮合状态

1.1 敲击门槛理论

发生敲击时单对常啮合非承载单对齿轮平衡方程如下所示：

式中：Tdrive为主动齿轮驱动力矩；Tdrag为从动齿轮阻滞力矩；J为从动齿轮转动惯量；为从动齿轮的角加速度。

当Tdrive＜Tdrag时，主从动齿轮紧密结合不发生敲击；当Tdrive>Tdrag时，主从动齿轮分离，即从动齿轮与主动齿轮接触面由图1中B面接触过渡到A面接触，在这一过程中产生敲击现象。因此敲击出现的门槛[7－8]可由下式表示：

1.2 敲击评价指标

在实际工程应用中由于从动齿轮阻滞力矩不易获得，Padmanabhan C[9]提出了以发动机飞轮和从动齿轮角加速度为基础的敲击评价指标：

对于台架试验而言，变速器输入轴花键与台架输入轴直接相连，因此将飞轮角加速度用输入轴角加速度替代[10]，可以得到如下表达式：

根据以上理论可知，非承载从动齿轮的角加速度可以用来表征齿轮敲击现象，在实际应用中可以采用磁电式转速传感器来测量从动齿轮的转速，对转速微分即可获得角加速度值，进而对变速器齿轮敲击进行评价。

2 台架试验

2.1 台架试验工况

本文的研究对象为某款七速湿式双离合自动变速器，最大输入转速为6 000 r/min，最大输入扭矩为250 N·m；输入轴分为奇数轴和偶数轴，挡位主动齿轮与输入轴一体式加工；输出轴分为上、下轴，挡位从动齿轮空套在输出轴上。

本次试验在带有半消声室的变速器NVH 试验台架上进行。半消声室满足《GB/T 6882－2016 声学声压法测定噪声源声功率级消声室和半消声室精密法》中的相关要求；台架驱动电机为低惯量电机，满足高频波动扭矩加载要求，控制精度为±1 Nm；驱动端扭矩传感器测量精度为±0.05%FS（Full Scale满量程）。

根据整车试验的相关经验，低挡位不易发生敲击现象，因此试验工况中挡位为4～7挡；发生敲击的典型转速为中低转速，因此试验输入转速为设定为起始1 000 r/min，以固定转速100 r/min 为步长，最高试验转速为3 000 r/min；结合相关文献的内容，平均扭矩对敲击影响较小，因此平均扭矩定为100 N·m；波动扭矩对敲击影响更为明显，波动扭矩可根据变速器实际工况进行调整，本次试验按±80 N·m 进行；根据变速器润滑油油温高，黏度小的特性，油温高，更易发生敲击现象，因此试验油温选用变速器常用工作温度100 ℃。试验过程中驱动电机波动扭矩从0 N·m 线性变化至最大波动扭矩值。在试验过程中，每个试验工况均重复进行3次测试，测试完成后检查数据重复性，剔除异常数据。敲击试验开始前需进行磨合工况，磨合完成后更换变速器油。最终，制定的试验工况如表1所示。

表1 台架敲齿部分试验工况

此外，根据企业动力总成平台发展规划，所研发的双离合变速器后期会匹配不同气缸数的发动机平台，因此驱动电机加载频率f根据被试件匹配的发动机气缸数N和发动机转速n决定。驱动电机加载频率计算如下所示：

当发动机气缸数为4 缸时，加载频率为发动机2 阶激励；当发动机气缸数为3缸时，加载频率为发动机1.5阶激励。本次试验采用2阶激励频率。

2.2 台架试验传感器布置

根据齿轮敲击试验要求，布置麦克风测试变速器近场噪声，布置振动传感器测试变速器振动，布置转速传感器测量从动齿轮转速。试验现场情况如图2所示。

图2 台架试验现场布置情况

2.2.1 麦克风布置

以车辆坐标系为准，分别在被测变速器的前方、左侧、上方和后方布置4个麦克风测点，前、后、左3个测点的高度与变速器输入轴等高。每个测点布置的麦克风以零入射角对准被测面，且距离变速器外包络面约500 mm处。麦克风的测量频率范围为20 Hz～20 kHz，在试验前需用专用校准仪进行校准。

2.2.2 振动传感器布置

振动传感器分别布置在输入轴前轴承上部壳体、上输出轴轴承座和下输出轴轴承座，振动传感器按车辆坐标系标注好方向，采用专用胶水粘贴牢固。振动传感器的测量范围为±500 m/s2。

2.2.3 磁电式转速传感器布置

试验前根据被测变速器轴齿的布置形式在变速器壳体合适位置开孔并攻螺纹，目的是利用磁电转速传感器测量各齿轮的转速，螺纹尺寸由磁电式转速传感器决定。壳体内有挡油板，需要根据开孔位置在挡油板上开孔，孔直径必须保证大于磁电式转速传感器直径。变速器壳体开孔位置应尽量避免肋板位置，避免对壳体结构造成过大影响。如开孔并安装磁电式转速传感器后与台架设备产生干涉，则酌情减少测点。安装转速传感器时需保证传感器头部距离齿顶约1～2 mm，并且需打螺纹密封胶进行密封，避免漏油。磁电式转速传感器的最大测量范围为100 kHz。

本次试验中，由于台架布置及变速器结构等原因，布置3、4、6、7 挡从动齿轮以及上输出轴、下输出轴主减主动齿轮转速测点。

3 试验数据分析

根据已设置的试验工况进行试验，在该试验工况下，变速器各挡位均出现齿轮敲击，其中敲击较明显的6、7挡数据分别如图3～4所示。根据变速器的轴齿结构，提取各挡位所在的输出轴后轴承振动情况来进行分析。图3所示为6挡输入转速1 400 r/min 时上输出轴后轴承的振动情况，在第29.26 s左右，振动值出现明显突变，产生敲击现象。图4 所示为7挡输入转速1 400 r/min 时上输出轴后轴承的振动情况，在第15.73 s左右，振动值出现明显突变，产生敲击现象。

图3 6挡1 400 r/min振动Colormap

图4 7挡1 400 r/min振动Colormap

进一步分析不同输入转速下相同挡位的齿轮敲击情况。图5～7 分别为7 挡输入转速1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min时，从动齿轮角加速度及麦克风Overall。从3幅图中可知，麦克风Overall 均产生突变，明显产生了齿轮敲击现象，图5 敲击大约发生在第10.87 s；图6 敲击大约发生在第18.18 s；图7敲击大约发生在第34.50 s。在3组数据中，变速器输入端波动扭矩的加载完全一致，即波动扭矩

图5 7挡1 400 r/min空套齿轮角加速度及麦克风Overall

图6 7挡1 800 r/min空套齿轮角加速度及麦克风Overall

图7 7挡2 200 r/min空套齿轮角加速度及麦克风Overall

从0 N·m加载至±80 N·m，随着输入转速的升高，出现敲击的时间越晚。由这一现象可以判断，相同挡位时，输入转速越高，敲击出现的门槛值越大，通过分析其他挡位的试验数据，可以得出相同的结论。

分析各从动齿轮对敲击噪声贡献程度。以7 档输入转速2 200 r/min工况为例，根据式（5）给出的敲击评价指标，得到了各从动齿轮的敲击强度，结果如图8所示。在加载初始阶段未发生敲击现象，因此从第30 s 开始分析。从图中可知，在第34.50 s时下输出轴敲击评价指标E3发生突变，此时麦克风Overall 也产生突变，敲击评价指标E3从1.06 迅速变化到3左右，可以判断是下输出轴主减主动齿轮产生敲击。随着波动扭矩的继续增大，3挡从动齿轮的敲击评价指标E3也呈现出一定变化，最大值为1 左右，但是麦克风Overall 曲线变化并不明显，即3挡从动齿轮敲击对整体敲击噪声的贡献量不大。结合图7和图8的内容可知，所采用的敲击评价指标能够准确判定齿轮敲击情况。此外，4、6 挡从动齿轮敲击评价指标E3幅值较小并且在整个加载过程中均未发突变。根据这个结果可以得出结论：双离合变速器非工作轴的挡位从动齿轮对敲击的影响较小。对于湿式双离合变速器而言，非工作轴在双离合器带排转矩和内外轴间滚针轴承的摩擦力矩带动下会有一定的速度，但是输入轴的转速波动对于非工作轴的影响程度有限。

图8 7挡2 200 r/min敲击评价指标

以齿轮敲击评价指标E3为评价标准，统计了不同输入转速下各挡位出现齿轮敲击时的输入轴角加速度值，并将其作为被试变速器齿轮敲击阈值，统计结果如图9所示，结果印证了结论：输入转速越高，敲击门槛值越大。

图9 各挡位不同转速输入轴角加速度

在后期的动力总成匹配及整机噪声控制方案设计时，以本次台架试验得到的变速器敲击阈值为参考，从发动机自身转速波动控制、双质量飞轮匹配及变速器自身性能优化等敲击噪声控制方法中寻找可行性高、成本低的技术方案，最终实现设计目标。

4 结束语

本文根据齿轮敲击门槛理论，采用了以输入轴角加速度均方根和从动齿轮角加速度均方根比值的齿轮敲击评价指标。结合文献资料和整车试验相关经验，制定了台架齿轮敲击试验工况，并在变速器NVH试验台架上进行试验，结果表明变速器各试验挡位均出现齿轮敲击现象。

分析试验数据可以得到以下结论：双离合变速器非工作轴的齿轮对整体敲击噪声贡献量较小；相同挡位时，输入转速越高，齿轮敲击的门槛值越高；采用的敲击评价指标能准确判断出现敲击的时刻，基于该判断条件统计出了各挡位出现敲击时的输入轴角加速度，为变速器噪声控制提供了参考依据。