DCT变速箱齿轮敲击改进及优化

赵忠伟，张晓明Zhao Zhongwei，Zhang Xiaoming

DCT变速箱齿轮敲击改进及优化

赵忠伟，张晓明
Zhao Zhongwei，Zhang Xiaoming

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201206）

介绍DCT（Dual Clutch Transmission，双离合自动变速箱）的工作原理，建立了双离合器变速箱简化多体动力学模型，分析齿轮敲击产生的机理以及双离合器自动变速箱容易产生齿轮敲击的原因，通过对踩松加速踏板时双离合变速箱齿轮敲击问题的分析和解决，说明利用标定（发动机扭矩控制、变速箱离合器和换挡控制等）手段改善齿轮敲击激励源和产生过程，提供一种快速高效低成本解决敲击问题的方法。

敲击；双离合器变速箱；DCT；标定

0 引 言

DCT（Dual Clutch Transmission，双离合器式自动变速箱）是指具备2个离合器的自动换挡变速箱，2个离合器分别连接奇数挡输入轴和偶数挡输入轴，需要换挡时，通过对离合器和换挡拨叉的精确控制，实现动力不中断且平顺换挡，同时可以通过预选策略预先结合下一个非承载轴挡位的拨叉，提前挂挡，减少换挡动作，实现快速换挡。其基本结构类似手动变速箱，因此传动效率同手动变速箱基本一致[1]。DCT不仅继承了手动变速箱结构紧凑、传动效率高的优点[2]，还兼具自动变速箱换挡快速、舒适、无动力中断等优点[3]，已在国内外各大整车厂商中得到非常广泛的应用。随着DCT变速箱的广泛应用，其NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）问题越来越凸显，从第三方平台售后抱怨数据的统计结果中可以清晰看出，中国区域的客户对汽车的振动噪声表现尤为关注[4]，对于DCT变速箱，齿轮敲击是一种最为常见的噪声，被客户密切关注。对齿轮敲击产生机理进行深入分析，针对分析结果，通过标定手段快速改进及优化噪声激励源和产生过程，为解决此类问题提供了一种解决思路。

齿轮敲击是车辆传动系统的复杂动力学行为，常出现在匹配手动变速箱、AMT（Automated Manual Transmission，电控机械自动变速箱）、DCT的车型中[5]，近些年国内外对齿轮敲击的研究涉及敲击机理、激励源、传递路径、多体动力学仿真和解决措施及评价方法等，王波[5]等对非承载齿轮敲击进行了深入分析，建立了动力学求解模型仿真及优化，解决了某车型加速时的非承载齿轮敲击问题；熊秀文[6]等从敲击机理入手建立了齿轮敲击的多体动力学仿真模型，并进行了台架和整车试验，建立了客观评价指标和方法，并验证了其有效性；陈伟[7]、田雄[8]等通过对敲击传递路径的分析，从改善结构传递的方向提出了敲击消减方法；王从鹤[9]等对变速器齿轮敲击噪声的传播过程进行研究，认为齿轮的敲击振动一部分通过空气和车身缝隙传递到驾驶舱，另一部分通过换挡拉索传递至驾驶舱；BLANKENSHIP、SINGH[10]等人提出了一种新齿轮啮合动态模型，该模型建立了6个自由度，能够更准确地模拟齿轮系统动力学特征；KNABE[11]等在半消声室内的单轴底盘测功机上进行实车试验，对主、客观评价结果进行回归分析，建立主、客观评价指标定量关系。

提出一种不同于以往的改进方法，通过对车辆行驶过程中踩松加速踏板时双离合变速箱出现的非承载轴齿轮敲击问题的分析和解决，探讨双离合自动变速箱非承载轴敲击问题的激励源和产生过程，通过标定手段优化发动机扭矩波形、离合器接合控制、预选挡策略及换挡控制策略，低成本高效解决敲击噪声问题。

1 DCT变速箱工作原理及预选挡策略

1.1 DCT的基本结构及工作原理

图1为典型的多片式DCT结构原理示意图[1]。为了实现动力换挡，将奇数挡和倒挡与离合器C1相连，偶数挡与离合器C2相连，换挡控制机构推动SYN（Synchronizer，同步器系统）挂入或摘下相应挡位，同时控制两个离合器的切换，实现动力不中断。C2连接的输入轴2为一个实心轴，C1连接的输入轴1为套在C2实心输入轴外的一个空心轴。正常行驶过程中始终有一套传动齿轮传递动力，另外一套传动齿轮根据预选挡策略预先挂入下一个即将工作的挡位或者空挡。。

图1 DCT传动系统结构示意图

一般称正在传递动力的齿轮轴为承载轴，另外一套不传递动力的齿轮轴为非承载轴，非承载轴按预选策略挂入挡位或者不挂挡。

1.2 预选策略介绍

预选策略，即根据车辆实时工况和驾驶员意图的判断等，设定最佳的预选策略，考虑到不同变速箱的物理特性，如NVH、耐久性等，不同的变速箱预选挡策略也不同，主要考虑因素有加速踏板、车速/输入轴转速以及挡位，为了避免过多的预选造成噪声特别是啸叫和敲击问题，在一定的范围内会取消预选。预选原则是当挡位固定、车速/转速较低时，先预选低挡位，上升到一定车速/转速后，取消预选，车速/转速再升高时会预选高挡位。当挡位固定、车速/转速较高时，一般预选高挡位，下降到一定车速/转速时，取消预选，车速/转速再降低时会预选低挡位。这样做主要考虑转速低的时候降挡概率较高，转速高时升挡概率较高。

一般情况下，预选低挡位、空挡、高挡位的转速阈值随着加速踏板的增大而增加，同换挡策略一致，主要考虑加速踏板越大，则保持在低挡位的需求越大，动力性越好。

2 DCT变速箱非承载轴齿轮敲击原理及分析

2.1 非承载轴齿轮敲击原理分析

齿轮敲击的激励源是发动机的扭矩突变及波动，来自气缸内燃气压力的波动和曲轴、曲柄活塞机构及飞轮轴的往复惯性力、相关旋转机构的不平衡力等，以及踩松加速踏板后，为了达到目标扭矩，点火角、喷油量、进气量等的控制稳定性。发动机的动力通过双质量飞轮传递到变速箱的离合器，通过输入轴、齿轮副、输出轴、差速器，最终到达轮胎。在这一传递过程中，变速箱预选挡位时，驾驶员踩下或者松开加速踏板，发动机的扭矩会快速变化，承载轴在传递动力时通过齿轮副将这一变化传递到非承载轴，并根据速比放大或缩小。由于非承载轴存在啮合间隙且同承载轴不同的是无持续动力输入，导致非承载轴齿轮副的主、从动齿面无法压紧，从而产生来回敲击，表现为非承载轴转速明显波动以及清脆的金属撞击声。

图2为DCT传动系统多体动力学简化模型，由于4挡和6挡共用一个输入轴齿轮，为清晰展示，将输入轴齿轮分为4挡和6挡，4挡采用实线，6挡采用虚线；省略掉1挡、5挡和倒挡的齿轮副，均设置为空套状态，其也会产生一定敲击，但相对来说声音较小，暂时忽略。

注：JE、wE为发动机曲轴端等效转动惯量和曲轴转速；JF1、wF1、JF2、wF2、KF、CF分别为双质量飞轮的初级和次级质量的等效转动惯量、转速及其刚度和阻尼。JI、wI为变速箱输入端转动惯量及转速；JC1、wC1、JC2、wC2分别为离合器1和离合器2的惯量和转速；分别为2、3、4、6挡齿轮副的主动齿轮转动惯量及转速和从动齿轮转动惯量及转速；K2、K3、K4、K6、C2、C4、C6分别为2、3、4、6挡齿轮副啮合刚度和2、4、6挡齿轮副啮合间隙；JO1、wO1、JO2、wO2、KO2、CO2分别为输出轴1和输出轴2的惯量、转速及其啮合刚度，以及输出轴2的啮合间隙；JP、wP、JH、wH、JW、wW、KH、CH分别为主减及差速器、半轴和轮胎的惯量、转速及半轴刚度和阻尼；TDrag4，TDrag6分别为4、6挡空套齿轮受到的拖曳扭矩。

结合图1、图2中离合器C1接合状态，则SYN13左移接合3挡、SYN24右移预选2挡，这是敲击问题发生的典型工况。在这一工况下输入轴1为承载轴，输入轴2为非承载轴。动力通过离合器C1经过3挡的齿轮副传递到输出轴1，输出轴1齿轮接合差速器的主减齿轮，将动力通过差速器、半轴传递给轮胎；同时，2挡从动齿轮通过拨叉连接到输出轴1，输出轴1的扭矩变化通过2挡齿轮副反馈到非承载输入轴2上，引起4挡和6挡的主动齿轮动力波动，当非工作齿轮的拖曳扭矩小于主动齿轮工作面扭矩波动时，会引起齿轮工作面和非工作面的频繁敲击，通常使用式（1）对模型中空套齿轮副是否发生敲击进行判断[12]。

双离合变速箱的特点是会预选挡位，当踩下加速踏板时发动机扭矩变化会通过预选路径传递到空套齿轮，特别是共用主动齿轮的4、6挡的空套齿轮，敲击力必然产生。根据式（1）可知，从动齿轮处于空套状态，其传递的仅为拖曳力矩，当空套齿轮角加速度增大，其产生的惯性力矩(敲击力)也会增大，当敲击力越大时越容易产生齿轮敲击，当敲击力较小时产生单面敲击甚至无敲击。

2.2 敲击产生和传播路径

从图2中可以看出，敲击的激励来源主要是发动机扭矩突变，通过变速箱输入端、离合器传递到输入轴，经过输入轴齿轮传递到输出轴，最终经过主减齿轮、差速器和半轴传递到车轮。期间由于存在预选挡，会将扭矩变化通过预选齿轮副传递到空套齿轮，从而产生敲击。

齿轮敲击声音通过相关轴再传递到变速箱壳体，通过悬置、换挡拉索及半轴轴头等传递到车身或车内部件，再通过空气传递到车内，产生噪声[7]。

从敲击产生的激励和过程入手，通过标定控制手段来控制激励源和产生过程，解决踩松加速踏板时变速箱齿轮敲击问题。

3 DCT非承载轴齿轮敲击问题解决及优化

3.1 问题复现及原因分析

经过问题复现分析发现，将加速踏板踩至不同深度后松开都会听见比较明显的敲击声，根据是否需要换挡可以分为2类。

第1类为轻踩加速踏板后松开，不触发换挡，变速箱控制器内部数据如图3所示，包括发动机飞轮转速、发动机扭矩、离合器1和2的压力、输入轴1和2的转速、加速踏板开度、挡位和壳体振动加速度；从图3中可知，无换挡时，变速箱壳体加速度幅度最大为34，伴随多次振荡，对应的输入轴2转速波动明显，最大幅度为270 r/min，随时间振荡减弱，敲击噪声明显。

图3 轻踩加速踏板松开后无换挡时敲击工况

第2类为深踩加速踏板后松开，触发换挡，如图4所示。深踩加速踏板后触发动力降挡，然后松开加速踏板触发升挡，可以看出踩松加速踏板后，变速箱壳体加速度波动明显，最大幅值为17.5，伴随多次振荡，对应输入轴2的转速波动明显，且不断振荡，最大幅度为220 r/min，敲击噪声明显，且踩松加速踏板时都可听到，难以接受。

图4 深踩加速踏板后松开有换挡时敲击工况

分析产生敲击的主要原因，从变速箱标定控制角度来看，主要有以下几项：

（1）离合器压力控制不稳定，离合器压力在踩下制动踏板时有泄压，后快速增压，导致输入轴波动；

（2）换挡工况判断时机不好，踩下制动踏板后松开再踩下，导致频繁换挡，整个传动系统频繁波动；

（3）预选挡会放大抖动幅度。

3.2 问题的解决目标

根据敲击噪声和抱怨情况，确定解决目标主要有以下几项：

（1）使输入轴转速波动的最大幅值降到150 r/min以下，主观评估敲击噪声可接受；

（2）动力响应，按照客观驾驶性能评价标准，从踩下加速踏板到车辆主驾驶座椅导轨处的最大纵向加速度达到1 m/s2的时间小于1.5 s，则可以接受，主观评估无动力延迟抱怨；

（3）换挡平顺性，即踩下加速踏板的过程不出现冲击和抖动，主观评估无抱怨；

（4）时间和人工成本，即更改的标定量可控，更改的标定控制量影响面不太广，数量不太多，否则会涉及大量验证试验，影响开发周期。

3.3 解决方案确定及验证

3.3.1 解决方案

针对问题发生的主要原因，确定4个方面的改进方案：

（1）离合器压力控制，踩下加速踏板时离合器控制稳定性及接合速率，改进离合器端扭矩加载平顺性，降低冲击能量；

（2）取消预选挡，规避非承载轴齿轮敲击；

（3）更改控制逻辑，减少频繁踩松加速踏板时的换挡次数，降低敲击发生的机率；

（4）踩下加速踏板时控制离合器不泄压，并降低其接合速率的同时减少踩松加速踏板时的换挡次数，即方案（1）和（3）同时实施。

3.3.2 方案对比

（1）输入轴转速波动。

各解决方案对比见表1。方案（2）由于无预选挡，因此无预选轴转速波动，但会带来其他噪声；方案（3）在踩下加速踏板时转速波动较大，松开加速踏板由于无升挡所以无转速波动值；方案（1）、（4）的转速波动降到150 r/min以内，但方案（1）在松开加速踏板时转速波动较大。

（2）动力响应。

各解决方案对比见表1。方案（2）响应时间较长，不满足动力响应目标要求，容易引起客户抱怨；方案（1）、（4）处于同一水平，比方案（2）稍好，勉强满足目标要求；方案（3）动力响应时间最短。

表1 各方案转速波动和动力响应对比

（3）换挡平顺性。

客户进行主观评估结果见表2，方案（1）、（4）处于同一水平，方案（3）稍差，但可以接受，方案（2）由于取消了预选挡，会导致拨叉的动作及离合器接合控制的变化，从而引起换挡冲击。表2中6分代表大部分人能感受到且有抱怨，7分代表大部分人能感受到且不抱怨。

表2 驾驶平顺性主观评估

（4）时间和人工成本。

4个方案更改的标定量都不多，方案（4）更改数目是方案（1）和方案（3）的总和，但涉及的实车验证工况同方案（3）基本相同，能满足项目开发周期。

3.3.3 方案确定。

根据以上4种方案的对比，方案（4）在踩松加速踏板时能够降低转速波动，对于改善噪声效果最好，需要更多的标定时间，但时间可控；方案（4）的动力响应时间虽不是最好，但能够满足需求；因此从改善噪声角度，选择方案（4）作为最终方案。

整车试验得出，输入轴转速波动控制在150 r/min以内，主观评估基本接受；动力响应时间受离合器接合速度较慢的影响，为1.6 s左右，会使驾驶员感觉踩下加速踏板后动力稍有延迟。

3.4 优化及验证

由于方案（4）的动力响应时间不满足要求，分析发现，当前离合器接合速率较慢，虽然可以改善齿轮敲击，但影响了动力响应，引入发动机在踩下加速踏板时的初始扭矩上升速率，配合离合器接合时机及接合速率的方法，对2个控制模块联合标定。

如图5所示，引入发动机扭矩上升速率（分2个阶段：阶段1、阶段2，阶段2基本不变，以最快速率上升，保证动力响应）、离合器压力接合时机和离合器接合速率共3个关键参数，采用正交列表方法进行优化。

3.4.1 优化参数及正交试验设计

利用田口优化法来确认控制因子和噪声因子，如图6所示，包含控制因子，即标定调整的关键参数，噪声为不同车辆和变速箱，症状为变速箱出现的问题，即齿轮敲击和动力响应速度，响应为主观感受，包含噪声和驾驶平顺性。

图5 优化的3个关键参数

图6 参数图

（1）控制因子和水平。

按照表3原则分别设置3参数3水平的标定量。

表3 控制因子和水平

（2）噪声因子和水平。

不同的车辆存在硬件配置差异，例如离合器半接合点学习的差异（离合器片弹簧的细微差异、离合器注油容积的差异），标定需要具有很好的鲁棒性，在不同的使用环境和制造公差范围内能保持换挡的一致性，选择2辆不同的车辆做为噪声因子，而且2辆车的初始状态不同，一辆状态较好敲击噪声较小且动力响应时间稍快，另一辆状态较差敲击噪声较大且响应相对较慢，可以认为是2个水平。

（3）试验设计和验证。

按照正交列表的试验设计方法，2辆车共进行18组试验，针对敲击噪声、动力响应和驾驶平顺性，邀请客户进行主观评分，评分越高则越好，属于望大特性，见表4。通过试验得出计算结果，、、分别为3个关键参数，是为了方便计算代入的不影响试验结果的参数，通过18组试验结果可以计算出各参数的信噪比（S/N）和平均值（Mean），见表5。

表4 试验数据

表5 试验结果分析

进一步分析信噪比和平均值如图7和图8所示，可以得出优化方案为A1/B2/C2。

优化后的收益见表6，主观打分平均值均提高了0.8分，试验验证结果同预测结果基本一致，优化方案中减小发动机初始扭矩上升速率，可以理解为踩下加速踏板开始时以较慢的速率控制发动机扭矩上升，同时离合器以较慢速率压紧非承载轴齿轮副，缓慢消除啮合间隙后，再以更高的速率提升发动机扭矩和离合器接合速率，保证动力响应，符合预期。

3.4.2 批量验证

当车辆进行批量生产时，随机抽取10辆车，采集的输入轴转速波动均降低到150 r/min以下，敲击噪声微弱，动力响应时间均在1.5 s以内，无换挡冲击，可以认为问题得到有效改善。

图7 信噪比

图8 平均值

表6 预测和试验验证对比

4 结 论

（1）介绍了DCT的工作原理及预选策略，建立了双离合器变速箱简化多体动力学模型，分析了非承载轴容易产生敲击的机理；

（2）在不改变发动机和变速箱硬件的情况下，通过标定手段优化发动机扭矩控制、离合器接合控制以及换挡策略控制等，对敲击的激励源及产生过程进行了优化，快速有效解决了敲击问题；

（3）提出并证明了标定控制是一种快速有效解决NVH问题的方法，具有较好的工程开发意义。

[1]KULKARNI M，SHIM T，Zhang Y. Shift Dynamics and Control of Dual-Clutch Transmissions[J]. Mechanism and Machine Theory，2007，42（2）：168-182.

[2]张丙玉. 湿式双离合变速器起步控制策略分析及优化研究[J]. 机械传动，2020（9）：140-146.

[3]张晓明，汪新云，赵忠伟. DCT变速箱原地换挡车辆抖动及噪声优化[J]. 北京汽车，2019（4）：32-35.

[4]栾文博. 基于全路径优化的变速器齿轮啸叫噪音改善方法研究[J]. 设计研究，2019（8）：181-184.

[5]王波. 车辆行进间变速器非承载齿轮敲击问题建模及优化[D].西安：西安理工大学.

[6]熊秀文. 变速器齿轮敲击动力学仿真分析与试验研究[D]. 重庆：重庆理工大学..

[7]陈伟，寇仁杰. 基于TPA 的变速器齿轮敲击噪声消减研究[J]. 汽车实用技术，2017（13）：154-158.

[8]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优化[J]. 振动工程学报，2010（12）：642-648.

[9]王从鹤，张国耕，刘鹏. 手动变速器齿轮敲击问题研究[J]. 汽车科技，2016（4）：19-23.

[10]BLANKENSHIP G W，SINGH R. A New Gear Mesh Interface Dynamic Model to Predict Multi-Dimensional Force Coupling and Excitation[J]. Mechanism and Machine Theory，1995，30（1）：43-57.

[11]KNABE G M，KÜÇÜKAY F. Customer Orientated Approach for Evaluation of Transmission Rattle[C]// SAE 2012 World Congress & Exhibition. SAE Technical Paper 2012-01-0311.

[12]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.

2021-04-09

U463.212+.2.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.006

1002-4581（2021）04-0024-07