黃鼎友，任明輝，王思祖，許靜超

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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某柴油車怠速爬行異響分析及優(yōu)化

黃鼎友，任明輝，王思祖，許靜超

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

使用手動(dòng)變速箱離合器的車輛，在怠速爬行工況時(shí)，往往由于離合器本身結(jié)構(gòu)的原因，不能起到減振的效果，從而導(dǎo)致變速器異響，影響整車NVH特性。以國(guó)產(chǎn)某SUV柴油車為例，分析其怠速異響產(chǎn)生機(jī)理，通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)減振器的扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼、預(yù)緊力矩及剛度級(jí)數(shù)等參數(shù)，優(yōu)化離合器扭轉(zhuǎn)特性曲線，并進(jìn)行車輛試驗(yàn)，使用扭振分析儀測(cè)試扭振變化，采用等級(jí)評(píng)分法對(duì)怠速爬行噪聲進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。最終獲得一種大轉(zhuǎn)角、異阻尼、三級(jí)減振離合器方案，從根本上緩解了車輛怠速爬行異響狀況。針對(duì)該車進(jìn)行的改進(jìn)方法和新結(jié)構(gòu)亦適用于任何使用帶有扭轉(zhuǎn)減振器從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)的車輛。

車輛工程；怠速爬行異響；扭轉(zhuǎn)減振特性；大轉(zhuǎn)角；異阻尼

近年來(lái)，伴隨著社會(huì)對(duì)車輛使用經(jīng)濟(jì)性要求的重視，汽車消費(fèi)者對(duì)車輛乘坐舒適性的要求也在提高。汽車生產(chǎn)商開始越來(lái)越多的開發(fā)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，以滿足消費(fèi)者對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求；但是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)往往振動(dòng)和噪聲較大，極大的影響了消費(fèi)者對(duì)整車NVH特性的評(píng)價(jià)[1]。

安裝扭轉(zhuǎn)減振器的從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，除具有離合器要求傳遞和切斷動(dòng)力的主要功能以外，還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)向變速箱的傳遞。某國(guó)產(chǎn)2.4T柴油發(fā)動(dòng)機(jī)SUV使用具有扭轉(zhuǎn)減振器的從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，針對(duì)該車輛Creeping工況(車輛在1擋或2擋怠速平地行駛)出現(xiàn)的變速箱異響問(wèn)題，分析其產(chǎn)生機(jī)理，通過(guò)4次逐步優(yōu)化的試驗(yàn)探索，明確了通過(guò)降低扭轉(zhuǎn)剛度和摩擦阻尼，增大最大扭轉(zhuǎn)角的方法，以達(dá)到優(yōu)化怠速爬行異響工況的目的。實(shí)現(xiàn)了在不改變離合器空間和保證較低成本的前提下，設(shè)計(jì)了一種可廣泛推廣的離合器從動(dòng)盤新結(jié)構(gòu)，明顯的改善了車輛怠速爬行異響問(wèn)題。

1 Creeping工況扭振分析

1.1 怠速爬行異響

使用手動(dòng)變速箱離合器的車輛，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈周期性的變化會(huì)造成傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而引發(fā)變速器齒輪輪齒間的撞擊，撞擊引發(fā)了振動(dòng)，振動(dòng)經(jīng)過(guò)軸、軸承傳到箱體，再由箱體轉(zhuǎn)變成人們聽到的噪聲。即所謂的怠速噪聲[2]。當(dāng)車輛以1擋或2擋怠速工況平地行駛時(shí)，變速箱產(chǎn)生的噪聲就被稱為怠速爬行異響(Creeping Noise)。

隨著汽車消費(fèi)者對(duì)整車NVH要求的不斷提高，該異響越來(lái)越被關(guān)注并作為整車動(dòng)力總成NVH考核的重要標(biāo)準(zhǔn)。在控制產(chǎn)生此類振動(dòng)和噪聲的5個(gè)主要方面中，改變離合器扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)是最為可行且極為方便的方法[1]。故分析研究怠速爬行異響并尋找經(jīng)濟(jì)可行的離合器改進(jìn)方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 怠速爬行異響產(chǎn)生機(jī)理

離合器正常發(fā)揮扭轉(zhuǎn)減振的作用，需要其形成如圖1中的平行四邊形的循環(huán)工況，即減振彈簧在拉伸和壓縮的過(guò)程中啟動(dòng)阻尼摩擦以衰減輸入扭振。經(jīng)過(guò)正常彈簧消振后的扭振輸出幅度會(huì)有明顯的降低。

圖1 扭轉(zhuǎn)減振器工作過(guò)程Fig.1 Work process of torsion damper

車輛在1/2擋Creeping工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)為了克服行駛阻力需要輸出扭矩9～15 N·m；一般情況下，離合器從動(dòng)盤設(shè)計(jì)預(yù)減振承扭在3～6 N·m(經(jīng)測(cè)試可知試驗(yàn)車預(yù)減振扭矩為4 N·m左右)。在Creeping工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的影響，預(yù)減振彈簧處于壓緊狀態(tài)(由于限位設(shè)計(jì)，彈簧不會(huì)完全并死)，而主減振彈簧由于扭轉(zhuǎn)剛度和摩擦阻尼較大，以及自身預(yù)緊的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩超過(guò)預(yù)減振且未達(dá)到主減振開始起作用數(shù)值，此時(shí)就好像出現(xiàn)了減振“空擋期”，離合器減振機(jī)構(gòu)不參加工作，失去正常的扭轉(zhuǎn)減振功能。由發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)輸入的扭振會(huì)無(wú)損耗的經(jīng)離合器傳遞至后續(xù)的傳動(dòng)系統(tǒng)[3]。此時(shí)即產(chǎn)生變速箱異響。大量實(shí)車匹配試驗(yàn)表明，如果車輛存在怠速爬行異響，那也必然會(huì)存在類似怠速異響、加速異響以及倒拖異響等綜合行駛工況的NVH抱怨。

值得強(qiáng)調(diào)的是，變速箱的制造水準(zhǔn)(齒輪嚙合面的加工精度等)對(duì)怠速爬行異響起決定性的作用，如果要想解決怠速爬行異響問(wèn)題，除了控制源頭——發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)之外，提高變速箱的制造水準(zhǔn)才是根本；但是，離合器作為起傳遞動(dòng)力和消減振動(dòng)作用的部件，如果匹配合理，同樣可以起到降低怠速爬行異響的效果。

2 離合器扭轉(zhuǎn)減振器特性分析

2.1 扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線

圖2為離合器扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線。該扭轉(zhuǎn)減振器具有四級(jí)剛度、四級(jí)阻尼特性。

圖2 扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線Fig.2 Characteristic curve of torsion damper

圖2反映了扭轉(zhuǎn)減振器特性的一些參數(shù)，垂直線表示從一級(jí)進(jìn)入到另一級(jí)需要克服的彈簧預(yù)緊力矩；兩斜線間的間隔反映了減振器工作時(shí)的摩擦(摩擦阻尼)；曲線在水平坐標(biāo)軸上的距離表示離合器從動(dòng)盤轂花鍵中的間隙，反映扭轉(zhuǎn)減振器各級(jí)減振可作用的角度。

在設(shè)計(jì)離合器從動(dòng)盤的減振特性時(shí)，主要是根據(jù)相應(yīng)工況發(fā)動(dòng)機(jī)所需傳遞的扭矩范圍，選擇合適的彈簧剛度和摩擦阻尼矩，以起到相應(yīng)工況最好的隔振效果。在怠速工況下，較低的預(yù)減振扭轉(zhuǎn)剛度和摩擦阻尼有利于降低怠速振動(dòng)；減小主減振彈簧預(yù)緊力矩使扭轉(zhuǎn)減振器盡快由預(yù)減振期過(guò)渡到主減振期，從而降低怠速工況噪聲和振動(dòng)[4]。但是，主減振剛度過(guò)小會(huì)損害離合器的有效承扭，通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)，增大最大扭轉(zhuǎn)角可以彌補(bǔ)承扭不足的缺陷[5]。

2.2 原車離合器扭轉(zhuǎn)特性

試驗(yàn)車為2.4T，5MT柴油SUV，其驅(qū)動(dòng)形式為FR。

使用Rotec 扭振分析儀測(cè)試怠速爬行工況扭振。安裝2根轉(zhuǎn)速傳感器，一根安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪啟動(dòng)齒圈側(cè)，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入扭振；一根安裝在變速箱輸入軸側(cè)，測(cè)試經(jīng)過(guò)離合器衰減后的輸出扭振，測(cè)試結(jié)果如圖3。后面離合器的4種改進(jìn)方案中也采用此種方法測(cè)試。

圖3 Creeping工況(原)Fig.3 Creeping condition (previous)

圖3中，Disc angle表示離合器從動(dòng)盤相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；ENG RPM表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ENG 2nd Ord表示發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)二階扭振；TRS 2nd Ord表示變速箱側(cè)2階扭振。用2階扭振評(píng)判振動(dòng)程度。

1) 從圖3中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)2階扭振均相對(duì)平穩(wěn)(600 rad/s2)，但是變速箱側(cè)2階扭振(藍(lán)色曲線)波動(dòng)尤其劇烈(150～780 rad/s2)，主觀評(píng)價(jià)上此時(shí)的怠速爬行異響非常明顯。

2) 從離合器從動(dòng)盤相對(duì)扭轉(zhuǎn)角曲線看，其頂部峰值與變速箱側(cè)2階扭振峰值時(shí)刻一致，在該工況下離合器從動(dòng)盤工作在拐點(diǎn)位置，俗稱“撞墻”，此時(shí)預(yù)減振彈簧并死，而主減振彈簧尚未啟動(dòng)，離合器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)不起衰減作用。從離合器從動(dòng)盤相對(duì)扭轉(zhuǎn)角底部峰值看，擺動(dòng)幅度達(dá)到7°左右，顯示預(yù)減振彈簧撞墻后回彈的角度很大，而每次的回彈峰值的周期在3 s左右，和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射調(diào)整時(shí)間比較吻合，這主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的調(diào)整。

3) 從數(shù)據(jù)分析的結(jié)果看，改進(jìn)方案的方向就是要避免離合器減振彈簧“撞墻”，即盡量讓減振彈簧正常扭轉(zhuǎn)工作以達(dá)到消振作用，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入扭振，從而達(dá)到降低變速箱Rattle異響的異響。

3 改進(jìn)方案及試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)車輛噪聲主觀評(píng)價(jià)方法

以往的汽車噪聲研究大多以A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使之滿足日益嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求。但A聲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)沒有深入地考慮車內(nèi)噪聲的聲學(xué)品質(zhì)特性，不能全面反映汽車噪聲對(duì)人的騷擾性。而聲品質(zhì)[6]反映了作為評(píng)價(jià)主體的人對(duì)特定環(huán)境下噪聲的主觀感受，可以較為真實(shí)地反應(yīng)車輛噪聲的品質(zhì)。

常用的噪聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)方法主要有等級(jí)評(píng)分法(Magnitude Estimation)和成對(duì)比較法(Paired Comparison)[7]。國(guó)外在這方面的研究較早，較常用的等級(jí)評(píng)分法等級(jí)劃分如表1。國(guó)內(nèi)研究人員結(jié)合我國(guó)文化環(huán)境和研究現(xiàn)狀，在其基礎(chǔ)上研究了符合我國(guó)現(xiàn)狀的等級(jí)劃分[7-8]，如表2。筆者的研究中即采用這種等級(jí)劃分，評(píng)價(jià)者為有多年車輛噪聲試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的試車工程師。使用扭矩特性試驗(yàn)機(jī)測(cè)試從動(dòng)盤扭轉(zhuǎn)減振特性；使用Rotec扭振分析儀測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)扭振和變速箱側(cè)扭振。

表1 等級(jí)評(píng)分法(國(guó)外)

表2 等級(jí)評(píng)分法(國(guó)內(nèi))

3.2 匹配試驗(yàn)

根據(jù)分析，確定了4種離合器改進(jìn)方案，對(duì)每次改進(jìn)均進(jìn)行兩種試驗(yàn)：從動(dòng)盤扭轉(zhuǎn)減振特性測(cè)試和車輛振動(dòng)試驗(yàn)。

方案1：原車匹配的離合器，在預(yù)減振向主減振過(guò)渡點(diǎn)位置存在10 N·m左右的預(yù)緊扭矩，這就意味著怠速爬行工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩在達(dá)到預(yù)減振極限承扭后還必須擊破該預(yù)緊扭矩才有可能啟動(dòng)部分主減振阻尼。因此方案1的設(shè)想就是通過(guò)消除主減振彈簧的預(yù)緊扭矩，使該工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩能夠啟動(dòng)部分主減振阻尼來(lái)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)輸出振動(dòng)能量，從而達(dá)到衰減扭振峰值的目的。方案1扭轉(zhuǎn)特性如圖4。

圖4 方案1扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線Fig.4 Characteristic curve of torsion damper 1

方案1結(jié)論：相比原車自帶離合器，1擋爬行異響基本無(wú)改善，2擋爬行異響有改善，主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)如圖5。但是單純通過(guò)降低主減振預(yù)緊的方法無(wú)法有效達(dá)到衰減扭振的作用。

圖5 噪聲測(cè)試主觀評(píng)價(jià)Fig.5 Subjective evaluation of noise test

方案2：在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用2級(jí)主減振剛度，其中1級(jí)剛度為4 N·m/(°)，阻尼降低至(5±1)N·m，同時(shí)消除主減振預(yù)緊。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的限制，無(wú)法形成阻尼的獨(dú)立控制，即1級(jí)和2級(jí)減振阻尼相同，這對(duì)正常的驅(qū)動(dòng)工況會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。此次改進(jìn)的目的是通過(guò)降低主減振拐點(diǎn)位置的剛度和阻尼，盡量在怠速爬行工況下啟動(dòng)盡量多的1級(jí)主減振阻尼來(lái)達(dá)到消減扭振的目的。方案2扭轉(zhuǎn)特性如圖6。

圖6 方案2扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線Fig.6 Characteristic curve of torsion damper 2

方案2結(jié)論：主觀評(píng)價(jià)有較明顯的改善，1擋和2擋噪聲測(cè)試評(píng)分均為6分，如圖5。初步確定改進(jìn)方向，通過(guò)減小拐點(diǎn)位置附近的剛度和阻尼以達(dá)到消減扭振的目的。

方案3：仍然采用2級(jí)主減振，但是對(duì)剛度和阻尼特性繼續(xù)調(diào)整，1級(jí)剛度為2 N·m/(°)，主減振阻尼降低至(2±1)N·m。同時(shí)消除主減振預(yù)緊。方案3扭轉(zhuǎn)特性如圖7。

圖7 方案3扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線Fig.7 Characteristic curve of torsion damper 3

方案3結(jié)論：改善非常明顯，1擋爬行工況噪聲測(cè)試主觀打分由原來(lái)的4分提高到7分，2擋爬行工況噪聲測(cè)試主觀打分由4分提高到7.5分，如圖5。

經(jīng)過(guò)3次試驗(yàn)驗(yàn)證方案，可以得出結(jié)論，降低主減振的剛度和阻尼特性可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化爬行異響的目的，但是過(guò)低的主減振剛度和角度會(huì)降低離合器的有效承扭，而過(guò)低的摩擦阻尼不利于驅(qū)動(dòng)工況減振效果[9]。原來(lái)的離合器結(jié)構(gòu)(最大扭轉(zhuǎn)角度22°)很難兼顧各種匹配工況。

方案4：在原來(lái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增設(shè)一組小彈簧和一塊附軸套板，小彈簧嵌套在原有的彈簧內(nèi)，并利用預(yù)減振軸套板與附軸套板的先后作用使不同剛度的彈簧分先后壓縮，作為新增一級(jí)(第2級(jí))減振效果的作用元件。這樣，三級(jí)減振各自具有獨(dú)立的作用元件，形成一種串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。與原結(jié)構(gòu)相比，具有正向大角度，多級(jí)數(shù)，異阻尼的性能特點(diǎn)。第2級(jí)減振剛度為1.5 N·m/(°),阻尼為(2±1)N·m，能夠使離合器第2級(jí)減振彈簧在怠速爬行工況下達(dá)到最大的減振功效。方案4扭轉(zhuǎn)特性如圖8。

圖8 方案4扭轉(zhuǎn)減振器特性曲線Fig.8 Characteristic curve of torsion damper 4

全新設(shè)計(jì)的大轉(zhuǎn)角離合器具有三級(jí)減振，三級(jí)阻尼獨(dú)立控制的特性。第1級(jí)減振用于原地怠速工況；第2級(jí)減振用于怠速爬行工況，第3級(jí)減振用來(lái)正常行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)/拖動(dòng)工況。

方案4結(jié)論：1擋和2擋爬行工況噪聲測(cè)試主觀打分均為9分，如圖5，主觀評(píng)價(jià)已很難感受到異響。同時(shí)，通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，使得正向最大扭轉(zhuǎn)角度增加至32°，完全可以滿足離合器正向傳遞扭矩的目的。由于增加一級(jí)新的減振用于怠速爬行工況減振，使得減振彈簧能夠在該工況最大化的降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭振。從圖9中變速箱側(cè)2階扭振的曲線可以看出，經(jīng)過(guò)離合器減振后的輸出扭振峰值明顯降低，且輸出扭振在時(shí)間歷程上變得非常明顯的緩和(可以和改進(jìn)前的圖3對(duì)比)。

圖9 Creeping工況(方案4)Fig.9 Creeping condition (scheme 4)

同時(shí)，另有測(cè)試結(jié)果顯示，改進(jìn)后的1級(jí)和3級(jí)減振特性同時(shí)改善了快抬離合器踏板產(chǎn)生的Clock異響、冷車怠速異響以及驅(qū)動(dòng)工況傳動(dòng)系統(tǒng)共振。使得整車的NVH品質(zhì)得到極大的提升。

4 結(jié) 論

1) 從離合器減振的角度分析了車輛怠速爬行異響產(chǎn)生機(jī)理：怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)輸出較小，減振器不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭振不經(jīng)衰減地傳遞到變速器輸入軸，導(dǎo)致變速箱齒輪嚙合產(chǎn)生噪音。

2) 使用了通過(guò)離合器減振特性優(yōu)化來(lái)改善車輛怠速爬行異響的方法，通過(guò)降低主減振彈簧預(yù)緊扭矩、改變扭轉(zhuǎn)剛度及摩擦阻尼的方法 ，實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)特性的優(yōu)化；很大程度上緩解了怠速爬行異響及振動(dòng)。

3) 設(shè)計(jì)了一種從動(dòng)盤新結(jié)構(gòu)，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大角度的多級(jí)減振性能，提升了整車NVH性能，為現(xiàn)有產(chǎn)品改進(jìn)或今后新產(chǎn)品開發(fā)提供了重要的參考價(jià)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

黃鼎友(1963— )，男，江蘇南通人，副教授，主要從事車輛噪聲與振動(dòng)控制方面的研究。E-mail：xuyi03461@163.com。

任明輝(1987— )，男，山東滕州人，碩士，主要從事車輛動(dòng)力總成NVH特性方面的研究。E-mail：254762931@qq.com。

U 463.213

A

1674-0696(2015)05-145-05