張 亮劉金強(qiáng)羅 津朱志國(guó)黃振霞

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

某車型怠速開(kāi)空調(diào)時(shí)變速器異響問(wèn)題研究

張 亮1，2劉金強(qiáng)1，2羅 津1，2朱志國(guó)1，2黃振霞1，2

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

文章介紹了針對(duì)某車型怠速開(kāi)空調(diào)時(shí)變速器內(nèi)部產(chǎn)生的異響進(jìn)行的研究，包括故障分析、數(shù)據(jù)測(cè)試、原因分析、方案制定、對(duì)比測(cè)試等，最終通過(guò)對(duì)離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，解決了異響問(wèn)題。

變速器；異響；離合器從動(dòng)盤；預(yù)減震剛度系數(shù)

1 前言

改革開(kāi)放三十五年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)由自行車王國(guó)逐步向汽車王國(guó)過(guò)渡，汽車年銷量從2009年首次突破1000萬(wàn)輛以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)六年領(lǐng)跑全球汽車市場(chǎng)，2014年更是以2486萬(wàn)輛的終端銷量雄踞全球第一。汽車在中國(guó)已經(jīng)成為人們工作、生活、休閑和旅游活動(dòng)中不可或缺的工具。巨額的汽車保有量和井噴式的增長(zhǎng)，讓所有汽車企業(yè)受到巨大的鼓舞，各大車企紛紛擴(kuò)大產(chǎn)能，更有互聯(lián)網(wǎng)等其他行業(yè)人士覬覦汽車市場(chǎng)的巨大蛋糕，開(kāi)始涉足汽車市場(chǎng)，這必將導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)加劇，各車企只有開(kāi)發(fā)出令用戶滿意的產(chǎn)品才能在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟。

隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的日趨成熟，用戶對(duì)汽車的了解越來(lái)越深入，要求也越來(lái)越高，汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能成為用戶選車時(shí)的重要考核因素。而NVH將時(shí)刻影響用戶的用車體驗(yàn)，無(wú)疑是提升用戶駕乘體驗(yàn)的關(guān)鍵項(xiàng)，其中，噪音、異響又是用戶感受最明顯的問(wèn)題，因此需要車企重點(diǎn)關(guān)注、解決。

2 背景簡(jiǎn)介

某車型上市后接到部分用戶反饋，車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下怠速開(kāi)空調(diào)時(shí)，變速器內(nèi)部有“噠噠噠”的齒輪打齒聲音，關(guān)閉空調(diào)時(shí)異響消失，行駛過(guò)程中則未發(fā)現(xiàn)有此問(wèn)題。用戶對(duì)此抱怨很大，要求車企快速解決。

3 故障分析

根據(jù)客戶的反饋及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試故障車，發(fā)現(xiàn)車輛在正常啟動(dòng)時(shí)并無(wú)異常，但當(dāng)變速器位于空擋時(shí)開(kāi)啟空調(diào)，在車內(nèi)能即可聽(tīng)到輕微的“噠噠噠”齒輪撞擊聲，車外則相對(duì)更明顯，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器的運(yùn)轉(zhuǎn)，水溫、油溫的升高，“噠噠噠”聲音逐步加強(qiáng)。

此時(shí)踩下離合踏板，使變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開(kāi)從而停止運(yùn)轉(zhuǎn)，異響聲音則立即消失，由此可以判斷異響來(lái)自于變速器內(nèi)部。

而踩下離合掛上一檔，緩慢松離合，異響聲音便隨著離合的緩慢結(jié)合而變小，車一動(dòng)起來(lái)異響就完全消失。由此可見(jiàn)異響只有在齒輪空轉(zhuǎn)時(shí)才有，一旦加上負(fù)載即消失。

停車掛回空擋并放開(kāi)離合踏板后，異響再次出現(xiàn)，此時(shí)輕踩油門踏板，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1000rpm左右時(shí)，異響聲音再次消失，由此可以判定該異響與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有一定關(guān)系。經(jīng)查詢?cè)撥囆桶l(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，其怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為750rpm，因此，如果能將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速提升到1000rpm則能解決該問(wèn)題，但如此將增加該車型的怠速油耗，在油耗法規(guī)愈加嚴(yán)格的當(dāng)下，此舉顯然不合時(shí)宜，需要另尋解決方案。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)異響車輛的故障排查，得出如下結(jié)論：該異響來(lái)源于變速器內(nèi)部，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪是否有負(fù)載以及是否開(kāi)空調(diào)有關(guān)。但這只是故障的表象，要找到產(chǎn)生異響的根源才能有針對(duì)性的制定解決措施，因此我們對(duì)故障車輛進(jìn)行了各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)試。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

異響的產(chǎn)生主要來(lái)自于震動(dòng)、碰撞等，故障車輛所表現(xiàn)出來(lái)的“噠噠噠”聲音來(lái)自于變速器內(nèi)部，而在變速器內(nèi)部唯有齒輪的嚙合會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和碰撞，因此我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)選擇了加速度傳感器，并貼于變速器殼體上，同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中也會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，而且是主要的激勵(lì)源，因此我們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)缸體上也裝上了加速度傳感器，同時(shí)在靠近變速器的地方裝上音頻傳感器（麥克風(fēng)），以便更準(zhǔn)確的記錄異響故障發(fā)生時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。三個(gè)傳感器的布置如圖 1所示：

圖1　加速度傳感器和音頻傳感器的布置

將傳感器的另一端與LMS 16口前端儀器連接并接入電腦，運(yùn)行l(wèi)ms.test.lab軟件，測(cè)試故障車怠速開(kāi)空調(diào)和關(guān)空調(diào)工況下的加速度及音頻數(shù)據(jù)：

相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示：

（1）變速器旁的噪音數(shù)據(jù)，中間段是關(guān)閉空調(diào)時(shí)的音頻數(shù)據(jù)，左右兩邊是開(kāi)啟空調(diào)時(shí)的音頻數(shù)據(jù)，可以很明顯的看出異響的區(qū)間：

圖2　變速器旁的音頻數(shù)據(jù)

（2）圖3、4、5分別是變速器殼體的X、Y、Z向加速度數(shù)據(jù)，中間段是怠速關(guān)閉空調(diào)時(shí)三個(gè)方向的加速度值，左右兩邊是怠速開(kāi)啟空調(diào)時(shí)三個(gè)方向的加速度值，由此可以看出變速器內(nèi)部的“噠噠噠”異響聲音和變速器的各向震動(dòng)完全正相關(guān)，即震動(dòng)大的時(shí)候異響也大：

圖3　變速器殼體X向加速度數(shù)據(jù)

圖4　變速器殼體Y向加速度數(shù)據(jù)

圖5　變速器殼體Z向加速度數(shù)據(jù)

（3）圖6、7、8分別是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的X、Y、Z向加速度數(shù)據(jù)，中間段是怠速關(guān)閉空調(diào)時(shí)三個(gè)方向的加速度值，左右兩邊是怠速開(kāi)啟空調(diào)時(shí)三個(gè)方向的加速度值：

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)缸體X向加速度數(shù)據(jù)

圖7　發(fā)動(dòng)機(jī)缸體Y向加速度數(shù)據(jù)

圖8　發(fā)動(dòng)機(jī)缸體Z向加速度數(shù)據(jù)

5 原因分析

由以上三組測(cè)試結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的故障模式排查可知：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的震動(dòng)和變速器殼體上的震動(dòng)完全同步，并且都和異響聲音正相關(guān)。

因此初步分析故障原因如下：發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，同時(shí)也是震動(dòng)源，將震動(dòng)（加速度）經(jīng)離合器傳遞到了變速器，變速器中的主被動(dòng)齒輪在沒(méi)有負(fù)載空轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)齒帶動(dòng)被動(dòng)齒運(yùn)轉(zhuǎn)，在不開(kāi)空調(diào)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出較平穩(wěn)，震動(dòng)幅度（各向加速度值）也比較小，此時(shí)變速器內(nèi)部主被動(dòng)齒輪之間的嚙合也比較平順，沖擊較小，聲音也較小。但當(dāng)在怠速開(kāi)啟空調(diào)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)需帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，所需功率加大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，而轉(zhuǎn)速的提升（設(shè)計(jì)為提升100rpm）所增加的功率不足以抵消空調(diào)壓縮機(jī)所需的功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況變得惡劣，導(dǎo)致其對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)速波動(dòng)變大，震動(dòng)加劇，而位于傳輸通道上的離合器未能將該震動(dòng)過(guò)濾掉，因此傳遞到了變速器輸入軸上的主動(dòng)齒上，由于變速器主被動(dòng)齒輪間存在無(wú)法消除的間隙，在輸入軸主動(dòng)齒轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)（即旋轉(zhuǎn)加速度時(shí)大時(shí)小甚至?xí)r正時(shí)負(fù)），被動(dòng)齒由于沒(méi)有負(fù)載，其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常小，就會(huì)很容易被主動(dòng)齒來(lái)回敲擊，從而產(chǎn)生“噠噠噠”異響，特別是隨著水溫油溫的升高，齒輪油的阻尼會(huì)變小，被動(dòng)齒在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到的阻力就變小了，從而更容易被主動(dòng)齒來(lái)回敲擊，這也解釋了故障排查時(shí)出現(xiàn)的“隨著發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器的運(yùn)轉(zhuǎn)，水溫、油溫的升高，“噠噠噠”聲音逐步加強(qiáng)”。

當(dāng)掛上檔結(jié)合離合器時(shí)，變速器中的被動(dòng)齒輪已經(jīng)和傳動(dòng)系統(tǒng)連接，即加載有負(fù)載，其當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變得極大，所以被動(dòng)齒已不能再自由轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)齒也沒(méi)有足夠的力來(lái)回敲擊被動(dòng)齒，因此異響消失。

而在異響時(shí)踩下油門踏板將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到 1000rpm時(shí)，由于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率已經(jīng)可以滿足因帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的功率，因此發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況變好，轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度降低，震動(dòng)減弱，從而使傳遞到離合器的震動(dòng)也減弱，因此變速器內(nèi)部主被動(dòng)齒輪間的敲擊聲也減弱至消失了。

6 方案制定

根據(jù)以上的分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)是導(dǎo)致異響的根本原因，而離合器的減震不足及變速器主被動(dòng)齒輪間的間隙是異響發(fā)生的次要原因。

要解決該問(wèn)題，可以從以下四個(gè)方面尋找措施制定方案：

（1）抑制根本原因：即降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，可以通過(guò)使用雙質(zhì)量飛輪的方式使發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低，運(yùn)行更加平穩(wěn)，但由此將導(dǎo)致大量的成本增加，并且發(fā)動(dòng)機(jī)需要重新驗(yàn)證，離合器變速器等需要重新設(shè)計(jì)匹配，這將導(dǎo)致巨額的投資費(fèi)用產(chǎn)生，不符合我公司“低成本、高價(jià)值”的理念，因此該方案不可行；

（2）抑制異響的產(chǎn)生：即消除變速器主被動(dòng)齒輪間的間隙，但兩個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間完全沒(méi)有間隙幾乎是不可能的，即使將該間隙縮小也必須將整個(gè)系統(tǒng)的加工精度提高很多，該方案也會(huì)使零件成本增加很多；

（3）抑制異響的傳播：即阻斷聲音的傳播，即使有異響，但是不讓用戶聽(tīng)見(jiàn)，可以考慮提升整車的隔音性能，但該方案除了會(huì)增加整車成本外，依然不能解決在車外能聽(tīng)到異響的問(wèn)題，因此仍不可行；

（4）阻斷異響產(chǎn)生的路徑：即調(diào)整離合器的參數(shù)使其能更好的過(guò)濾掉發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的震動(dòng)，使傳遞到變速器處的震動(dòng)不至于引起主被動(dòng)齒輪的打齒異響；

從上面的四個(gè)方案可以看出，通過(guò)調(diào)整離合器的參數(shù)來(lái)解決問(wèn)題是更改量最小且成本最低的方案，對(duì)離合器內(nèi)部的參數(shù)調(diào)整可能都不涉及成本變更，因此是公司最能接受的方案。

調(diào)整離合器的哪些參數(shù)，如何調(diào)整，這是方案的核心。該車型采用的是膜片式離合器，由離合器蓋和離合器從動(dòng)盤組成，其中離合器從動(dòng)盤上帶有兩級(jí)減振彈簧，主要起到減小輸出速度波動(dòng)和緩解沖擊力的作用，因此彈簧參數(shù)的好壞直接影響離合器減振性能的好壞，從而影響輸入至變速器的轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小。經(jīng)查驗(yàn)相關(guān)設(shè)計(jì)文檔，該離合器從動(dòng)盤第一級(jí)彈簧正向扭轉(zhuǎn)剛度是0.5±0.3 N·m/ deg，由于發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸4沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為750rpm，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)的一階固有頻率為17Hz，而離合器從動(dòng)盤的設(shè)計(jì)必須使傳遞到變速器的一階固有頻率避開(kāi)這個(gè)數(shù)值，可以小于17Hz，也可以大于 17Hz。而該離合器從動(dòng)盤減振彈簧剛度設(shè)計(jì)值是 0.5 N·m/deg，其對(duì)應(yīng)的固有頻率為 19.7Hz，沒(méi)達(dá)到避開(kāi) 17Hz的要求，因此部分車輛會(huì)出現(xiàn)共振異響（由于剛度范圍0.2～0.8N.m/deg之間，因此部分零件滿足要求而未出現(xiàn)異響）。

7 CAE分析

為了確認(rèn)離合器預(yù)減震剛度系數(shù)是大于 17Hz還是小于17Hz，并分析該方案的理論可行性，首先計(jì)算了以下四組離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)對(duì)應(yīng)的一階固有頻率：

表1　四組不同離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)對(duì)應(yīng)的一階固有頻率

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器各項(xiàng)參數(shù)創(chuàng)建動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，將以上四組數(shù)據(jù)輸入，從而模擬出在裝配以上四種離合器從動(dòng)盤，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)傳遞到變速器的扭振角位移振幅：

圖9　發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)四種預(yù)減震剛度的離合器從動(dòng)盤傳遞到變速器的扭振角位移振幅

由圖 9可以看出，離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)為0.5N.m/deg時(shí)，傳遞到變速器的扭振角位移振幅最大，系數(shù)越小，振幅也越小。

但當(dāng)系數(shù)遠(yuǎn)大于0.5N.m/deg達(dá)到4.8N.m/deg時(shí)，傳遞到變速器的扭振角位移振幅同樣減小。為了驗(yàn)證從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)大于0.5N.m/deg時(shí)是否同樣滿足要求，再對(duì)各轉(zhuǎn)速下的最大角位移振幅進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果如下圖所示：

圖10　各轉(zhuǎn)速下四種從動(dòng)盤傳遞到變速器的最大角位移振幅

由圖 10可知，離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)小于等于0.5N.m/deg時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的升高，其傳遞到變速器的最大角位移振幅逐漸衰減并趨近于 0，而當(dāng)該系數(shù)為4.8N.m/deg時(shí)，雖然在怠速階段其傳遞到變速器的振幅小于0.5N.m/deg，但該振幅卻并不隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而衰減，甚至在接近2000rpm時(shí)出現(xiàn)另一個(gè)共鳴峰值，因此離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)大于0.5N.m/deg的方案不可取，建議將其設(shè)定為0.5N.m/deg以下。

8 對(duì)比測(cè)試

為了驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性，離合器供應(yīng)商提供了兩套從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)分別為0.23N.m/deg和0.78N.m/deg的樣件，將兩套樣件分別裝配到故障車上進(jìn)行各向加速度測(cè)試后，結(jié)果如圖11、12、13所示：

圖11　兩種離合器從動(dòng)盤開(kāi)關(guān)空調(diào)時(shí)X向加速度值

圖12　兩種離合器從動(dòng)盤開(kāi)關(guān)空調(diào)時(shí)X向加速度值

圖13　兩種離合器從動(dòng)盤開(kāi)關(guān)空調(diào)時(shí)X向加速度值

由上面的測(cè)試結(jié)果可以印證前期方案及CAE分析的準(zhǔn)確性，因此最終方案定為更改離合器從動(dòng)盤的預(yù)減震剛度系數(shù)，并將其值設(shè)定為0.5N.m/deg以下，為了驗(yàn)證該方案的實(shí)際效果，對(duì)售后用戶反饋存在該問(wèn)題的車輛進(jìn)行了新?tīng)顟B(tài)離合器從動(dòng)盤更換并跟蹤，更換結(jié)果見(jiàn)表2：

表2　售后故障車更換新?tīng)顟B(tài)離合器從動(dòng)盤跟蹤

經(jīng)過(guò)實(shí)際的驗(yàn)證，上述所制定的方案有效，因此正式完成設(shè)計(jì)更改，將離合器從動(dòng)盤預(yù)減震剛度系數(shù)設(shè)計(jì)成小于0.5N.m/deg。

9 結(jié)語(yǔ)

異響是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障模式，而變速器由于內(nèi)部齒輪眾多，嚙合工況復(fù)雜，是較容易產(chǎn)生異響的零件。但是要解決變速器發(fā)出的異響，卻不一定非要對(duì)變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，遇到此類問(wèn)題時(shí)應(yīng)該首先對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)診斷，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)測(cè)試，分析原因，找到故障產(chǎn)生的根源，并針對(duì)性的制定措施并驗(yàn)證、實(shí)施。

[1] J.厄爾賈維克.汽車手動(dòng)變速器和變速驅(qū)動(dòng)橋[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[2] 余志生.汽車?yán)碚?第 3版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)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

張亮（1983－），男，上海交通大學(xué)在讀在職研究生，上汽通用五菱汽車股份有限公司新車型開(kāi)發(fā)產(chǎn)品工程經(jīng)理，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。