摘 要

某搭載小排量增壓發(fā)動機和6AT自動變速器的橫置前驅(qū)SUV車型在低速起步過程中，發(fā)動機艙內(nèi)出現(xiàn)撞擊異響聲，問題發(fā)生的頻次高嚴重影響了車輛的駕駛舒適性。本文基于整車振動噪聲測試分析的結(jié)果，結(jié)合1擋和R擋的變速器動力流分析，以及傳動間隙與敲擊現(xiàn)象的理論假設(shè)，識別出中間輸出軸被動齒輪花鍵配合間隙是起步異響的關(guān)鍵要素；并且，通過花鍵配合設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化改進方法，實車駕評和客觀測試了該措施方案的有效性，這對于解決動力傳動系統(tǒng)瞬態(tài)工況的振動噪聲問題有著一定的工程指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：自動液力變速器；傳動間隙；動力流分析；花鍵；敲擊異響

作者：張軍，鮑勇仲

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司,浙江寧波315336）

引 言

隨著市場用戶對汽車NVH性能的越來越關(guān)注車輛啟動熄火、起步和急加速/減速等瞬態(tài)工況的振動噪聲水平，在汽車性能研發(fā)過程中被逐漸地重視起來。楊朝等[1]通過在手動變速器輸出端與聯(lián)軸器法蘭之間增加減摩墊片，解決了某縱置后驅(qū)商用車的起步異響問題；岳川遠等[2]發(fā)現(xiàn)輪轂軸承與驅(qū)動半軸接觸端面的粘滑振動是引起某前驅(qū)車型起步異響的主要原因；程林等[3]通過離合器波形片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，解決了某手動擋汽車起步過程離合器異響問題喬萌等[4]減小同步齒套的錐角差，解決某DCT變速器的倒擋起步撞擊聲；方強等[5]通過在凸緣法蘭與外軸承之間增加減摩墊片，解決某后驅(qū)皮卡車型的倒車起步異響朱廉潔等[6]研究了某小排量發(fā)動機車輛排氣系統(tǒng)引起的后排轟鳴問題與起步輔助標定參數(shù)的關(guān)系張軍[7]等通過電機轉(zhuǎn)矩控制策略優(yōu)化，解決了純電動轎車低速行駛時快速制動工況的敲擊異響問題Maruthi等[8]提出了一種開關(guān)模式控制方法，以解決電驅(qū)傳動間隙引起的電動車急加速工況聳動問題GuangqiangWu等[9]研究了齒輪嚙合的變剛度和齒隙等參數(shù)，對起步過程整車抖動的影響。目前，行業(yè)內(nèi)對汽車穩(wěn)態(tài)行駛工況的NVH問題研究比較廣泛，而對瞬態(tài)工況NVH問題的研究相對較少，尚未形成系統(tǒng)性的開發(fā)控制體系。

本文基于某車型起步異響問題的排查分析過程，提出了具體的工程改進措施，通過對中間輸出軸被動齒輪花鍵過盈量參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化，有效地解決了變速器的瞬態(tài)沖擊異響，這對于提高動力驅(qū)動系統(tǒng)NVH性能的設(shè)計開發(fā)有參考與借鑒意義。

1 問題描述

某緊湊型SUV車型搭載了1.4T增壓發(fā)動機和6AT(AutomaticTransmission)自動液力變速器的橫置前驅(qū)動力總成，在D擋模式下快速地起步前進或R擋倒車時，車內(nèi)駕乘人員都能夠明顯地感知到發(fā)動機艙內(nèi)發(fā)出“咔”的一次清脆撞擊聲，起步后行駛的過程中無此異響，并且如果緩慢地起步操作，此異響出現(xiàn)的概率則大幅度降低。由于起步工況的車內(nèi)背景噪聲較低，尤其是在地下停車場的混響聲學(xué)環(huán)境下，這種異響會更加顯著，將嚴重降低車輛駕駛者的安全感，容易引起抱怨投訴和售后維修要求。通常，這種動力傳動系統(tǒng)瞬態(tài)異響問題的影響因素較多，排查診斷與測試分析的難度都較大。

1.1?整車狀態(tài)的振動噪聲測試分析

為了更準確地測試分析該車型低速制動工況下異常噪聲問題的故障特征，以及診斷排查潛在的原因機理。因此，分別在AT變速器側(cè)面的端蓋殼體、差速器輸出接口、左/右輪轂軸承附件布置了振動加速度傳感器，在發(fā)動機艙底部布置了麥克風，并通過CAN總線同步采集車速、變速器擋位和發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩等信號，如圖1和圖2所示。測試方式為在平直光滑路面上，發(fā)動機點火啟動，掛入D擋模式，快速踩下油門踏板加速到15km/h左右，再松開油門進行制動駐車，重復(fù)地多次操作，同步采集前機艙內(nèi)各位置的振動噪聲信號和車輛狀態(tài)參數(shù)。

圖1 整車測試的傳感器布置示意圖

圖2 整車測試的傳感器現(xiàn)場布置

1.2?整車振動噪聲測試結(jié)果的分析

基于機艙內(nèi)麥克風和變速器殼體表面振動傳感器的測試結(jié)果，通過對聲音與振動信號時域特征分析和反復(fù)的音頻回放，結(jié)合主/客觀評價的對比辨識，可以準確識別出異響發(fā)生時刻的車輛狀態(tài)信息。如圖3所示，可以得出：(1)車輛起步時，幾乎是在車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的初始時刻，麥克風和振動信號都存在著相同瞬時的一次沖擊特征，這就是主觀感知到的起步過程“咔”異響聲，此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出值僅為45Nm，車速為0.84km/h，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為960.5r/min；(2)由于車輛起步工況的背景噪聲較小，而發(fā)動機加速噪聲和輪胎摩擦噪聲等都較大，前機艙內(nèi)麥克風測量采集的異常噪聲特征不顯著，聲音通道的信噪比低；(3)與麥克風聲音信號相比，變速器殼體振動信號存在著清晰的沖擊特征，振動通道的信噪比高。

圖3 前機艙異響的時域測試對比分析

此外，如圖4所示，通過比較各位置的振動時域測試結(jié)果，差速器輸出端口和變速器側(cè)面殼體位置的瞬時振動沖擊特征幅值都較大，分別達到16.5g和11.4g，遠遠大于左/右輪轂軸承振動特征峰值的100倍以上；雖然左側(cè)輪轂位置的振動沖擊特征峰值略大于右側(cè)，但都低于0.2g，這樣可以推測輪轂軸承端面與驅(qū)動軸外球籠之間沒有發(fā)生的粘滑異響現(xiàn)象[10]。因此，可以初步推測該車型起步過程的異響問題發(fā)生動在力總成系統(tǒng)的內(nèi)部，并與變速器的關(guān)聯(lián)性較大。

圖4 前機艙動力驅(qū)動系統(tǒng)的振動時域測試對比分析

為了進一步排除輪轂軸承異響的原因假設(shè)，減小驅(qū)動半軸外球籠之間的初始鎖緊螺母扭力60%以上，或者增加樹脂減摩墊片的方式進行實車駕評驗證，車輛起步過程仍然存在異響，這進一步說明AT變速器內(nèi)部系統(tǒng)可能是整車起步異響問題的關(guān)鍵要素。

2 起步過程的6AT 變速器動力流分析

如圖5所示，該車型動力傳動系統(tǒng)采用的前驅(qū)橫置6AT變速器，主要由液力變矩器、油泵、行星齒輪機構(gòu)、差速器、換擋執(zhí)行元件、控制閥體和TCU控制單元等組成，前行星排為單級行星排，后行星排為拉維娜式雙級行星排，中間輸出軸和差速器平行布置，轉(zhuǎn)矩容量為280Nm。對于整車動力流的分析，既是自動變速器設(shè)計分析的基礎(chǔ)，也是動力傳遞NVH與異響問題排查的依據(jù)。

圖5 某6AT 液力自動變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

如圖6(a)所示，當車輛D擋起步前進時，C1離合鎖止，發(fā)動機動力源從液力變矩器的渦輪軸傳遞到前行星排的外齒圈，其太陽輪固定，前行星架輸出動力流到后行星排的后太陽輪；F1單向離合器再鎖止，后行星架固定，動力流從后行星架的外齒圈輸出到中間軸被動齒輪，再傳遞至中間軸主動齒輪，最后通過主減速器和差速器輸出到驅(qū)動半軸。而在車輛倒擋的起步工況，如圖6(b)所示，C3離合器鎖止，將前行星排行星架輸出的動力，傳遞到后行星排的前太陽輪；B2制動器抱死，后行星排的行星架固定，動力直接從前太陽輪輸出到外齒圈，再傳遞到中間軸齒輪。由于前進/后退的起步工況都存在瞬時沖擊異響問題，再基于圖6的動力流分析示意圖，異響原因可以初步排除高阻尼特性的液力變矩器、前行星架太陽輪和后行星架等執(zhí)行器件。

而在前進或者倒擋模式的起步過程中，動力流都會經(jīng)過中間軸和差速器總成，尤其是中間軸的斜齒輪副傳動部分，與行星輪系和差速器系統(tǒng)相比，其相對的轉(zhuǎn)動慣量較小，速比較大，所承受的轉(zhuǎn)矩傳遞載荷也較大，雖然中間軸齒系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較簡單，但對轉(zhuǎn)矩載荷變化的響應(yīng)敏感性較高。

圖6 某6AT 變速器D1/R 擋的動力流示意圖

3 潛在原因分析與排查

3.1?傳動間隙與敲擊現(xiàn)象的機理分析

變速器敲擊噪聲為非線性系統(tǒng)問題，影響因素較多，原因機理也較復(fù)雜。對于AT變速器而言，常見的敲擊異響問題通常可分為兩類：第一種是怠速、蠕行或高載荷低轉(zhuǎn)速下加速等準穩(wěn)態(tài)工況的內(nèi)部傳動部件寬頻敲擊噪聲，這是由轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速波動引起非承載的空套齒輪副、滑套和齒環(huán)等徑向撞擊問題；第二種是起步、換擋或急加速等瞬時工況下發(fā)生的撞擊噪聲，主要原因有存在圓周間隙的齒輪副或花鍵部件之間敲擊，以及軸承滾子軸向竄動撞擊等。

由于設(shè)計、制造誤差及磨損等原因，變速器內(nèi)的傳動副部件都可能存在一定的側(cè)隙，在整車動力輸出的變換過程中，這些間隙將形成的機械沖擊激勵，并通過軸系和軸承等路徑傳遞到變速器殼體，產(chǎn)生出敲擊輻射聲。所以，傳動間隙可能會破壞變速器部件之間動力流傳遞的連續(xù)性，由穩(wěn)定的接合狀態(tài)變?yōu)闊o接觸狀態(tài)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)入結(jié)合狀態(tài)的過程中，就會發(fā)生機械沖擊，從而導(dǎo)致撞擊現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7 考慮傳動副側(cè)隙的動態(tài)特性示意圖

如圖7 所示，根據(jù)變速器傳動系統(tǒng)敲擊問題的臨界值理論[11-15]，傳動過程的敲擊現(xiàn)象主要取決于從動部件受到的驅(qū)動力矩大小，其驅(qū)動力矩、阻滯力矩和慣性力矩的關(guān)系式為(1)：

上式(1)中，Tinteria為從動部件的慣性力矩，Io和Qo分別為從動部件的轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)動角加速度，而Tdriving和Tdrag分別為從動部件的等效驅(qū)動力矩和阻滯力矩，變速器傳動副部件之間旋轉(zhuǎn)運動時需要克服攪油阻力及軸承預(yù)緊力是阻滯力矩的主要因素。

如圖8所示，當慣性力矩幅值小于阻滯力矩時，驅(qū)動力矩和動態(tài)接合力力F(