前言

双离合变速器（DCT，Dual-Clutch Transmission）是集合两套离合器的变速装置，因其兼具手动变速器的动力响应速度快和自动变速器的动力输出不间断、节油等优点，受到国内外汽车厂商的青睐。DCT是在手动变速器的基础上，将单输入轴变为双输入轴，两个离合器分别控制两根输入轴的动力，实现奇数档和偶数档的独立控制，但在齿轮形式上，依然存在大量空套齿轮，使用过程中存在敲击的风险。从检索的文献看，对DCT敲击进行试验分析的较多，进行仿真分析的较少。分析并优化DCT敲击性能，对提升DCT性能有很大帮助。

本文以某湿式DCT为研究对象，依托AMESim软件开发的丰富的传动系统零部件模型库，建立齿轴及传动系统仿真分析模型并使用台架测试数据对模型进行校验。首先进行空套齿轮敲击阈值预测，然后对传动系统参数及DCT本体参数进行分析，总结各参数对DCT敲击的影响规律。

齿轮敲击产生机理

变速器敲击主要发生在非承载的空套齿轮副之间，如图1所示。空套齿轮在旋转方向上没有约束且与主动齿轮存在齿侧间隙。发动机转速波动经过离合器传递至变速器主动齿轮，主动齿轮带空套齿轮转动，产生角加速度变化，从而导致空套齿轮惯性力矩不断变化。根据敲击阈值理论可知，当空套齿轮的惯性力矩大于阻力矩（拖拽力矩）时，空套齿轮将自由运动，与主动齿轮失去接触，当二者再次接触时，即发生敲击现象。敲击既会出现在工作齿面，也会出现在非工作齿面，多数情况为二者同时出现。强烈的齿轮敲击将产生宽频带噪声，通过结构路径和空气路径向车内传递，影响车辆乘坐舒适性。

图1  空套齿轮副

敲击仿真分析模型

1.AMESim建模

应用AMESim软件模拟DCT敲击台架测试过程，所建立的模型包括：转矩输入、双质量飞轮、换档控制系统、离合器、变速器、差速器、半轴、润滑油以及PID控制系统等，模型如图2所示。

图2  双质量飞轮刚度曲线

波动转矩是引起DCT敲击的激励源，选取不同波动转矩幅值及波动频率的组合作为输入，仿真使用的激励信号与台架一致。模拟双质量飞轮最重要的是复现其刚度特性，实测的刚度曲线如图2a所示，采用四段来模拟此双质量飞轮的刚度特性，如图2b所示，仿真曲线与实测曲线一致。

仿真时需要对内外离合器分别进行模拟，然后通过0/1信号开关进行分离/接合控制，模拟湿式离合器需要添加润滑油属性。同步器的控制方式与离合器一致，变速器内部油道与离合器相通，因此与离合器共用一个润滑油属性。空套齿轮阻力矩计算是敲击仿真的重点工作内容，阻力矩主要考虑：空套齿轮齿面及侧面的搅油阻力、滚针轴承与空套齿轮的摩擦阻力、两侧限位面与空套齿轮侧面的摩擦阻力、同步环与空套齿轮的摩擦阻力、齿轮啮合的滑摩阻力。该DCT同时采用飞溅润滑和喷油润滑，通过经验公式对喷油润滑损失进行估算，喷油润滑损失比滚针轴承与空套齿轮摩擦损失小两个数量级，因此忽略不计喷油润滑损失。通过PID系统控制仿真模型运行转速。

2.仿真模型校验

DCT壳体打孔安装磁电传感器，采集电压信号并对其进行数据处理得到齿轮角速度。角速度是电压信号数据处理得到的直接信号，能够准确地反映齿轮的转动情况，所以选择角速度作为验模信号。

将仿真模型的激励设置为平均转矩100 N·m、波动转矩50 N·m、波动频率50 Hz，内离合器接合，档位调至4档，调节PID参数使模型稳定在1 500 r/min。提取初级飞轮、次级飞轮、外输入轴及4档从动齿轮转速信息，与台架测试数据进行对比。

观察图3可知，初级飞轮、次级飞轮、外输入轴及4档从动齿轮仿真结果与测试结果一致性较好，说明所搭建的模型能够模拟DCT的实际工作状态，该模型可以用作齿轮敲击阈值预测和参数影响规律分析。

齿轮敲击阈值预测

通过测试获取空套齿轮阻力矩比较困难，而利用所建立的仿真模型则可以求得各空套齿轮的阻力矩。提取2档空套齿轮的惯性力矩并与测试结果进行对比，如图4所示，二者数量级相同，变化趋势基本一致。阻力矩存在一定的波动，取其平均值用来确定敲击阈值点。

图4  2档空套齿轮阻力矩测试与仿真对比

观察图4可知，惯性力矩与阻力矩交点所对应的转矩波动幅值即为敲击阈值，即当外部输入转矩波动幅值超过此阈值时，空套齿轮副将产生敲击现象。外部输入转矩波动幅值为10 N·m时的惯性力矩已经大于平均阻力矩0.076 N·m，此时已经发生敲击，在传动系统半消声室进行测试时，主观感受也是如此，在比较小的转矩波动输入时，就能清晰地听到齿轮的敲击噪声，说明2档空套齿轮的敲击阈值较小。通过仿真计算，其余空套齿轮敲击阈值与2档空套齿轮相当，而发动机在工作转速范围内输出的转矩波动幅值远大于10 N·m，因此只要发动机正常运转，离合器接合的情况下，就会产生敲击。

从解决工程问题的角度出发，研究齿轮敲击时，不应该过分关注敲击的阈值，即敲击的有无，而应该重点关注敲击的强弱。较弱的敲击并不会对乘坐舒适性产生影响，只有敲击噪声达到一定强度的时候，才会影响车辆的乘坐舒适性。

参数影响规律分析

分析传动系统参数和DCT本体参数对敲击的影响，主要研究转矩波动幅值、初级飞轮转动惯量、空套齿轮转动惯量、齿侧间隙及啮合刚度对齿轮副啮合力（敲击力）的影响规律。

1.转矩波动幅值

以电机输出转矩波动幅值为自变量，分析各工况下齿轮副敲击力变化规律，由于2、6、倒档齿轮副啮合力变化情况基本相同，故只列出2档齿轮副敲击力时域曲线，如图5所示。

图6  初级飞轮转动惯量对敲击力的影响转动

随着输入转矩波动幅值的增加，齿轮副敲击力幅值不断增大，呈单调递增趋势，且从单面敲击转变为双面敲击。说明外部输入激励幅值越大，齿轮敲击越严重。

2.初级飞轮惯量

提取不同初级飞轮转动惯量情况下，2档齿轮副敲击力变化时域曲线，如图6所示。

随着初级飞轮转动惯量的增加，齿轮副敲击力的幅值不断减小，且敲击形式逐渐从明显的双面敲击转变为以单面敲击为主。当初级飞轮转动惯量增加到0.12 kg·m2以上时，敲击力变化幅度降低。选择较大转动惯量的初级飞轮对抑制变速器敲击有利。

3.空套齿轮惯量

以2档空套齿轮转动惯量为自变量，分析其对2档齿轮副敲击力的影响规律，如图7所示。

随着2档空套齿轮转动惯量的增加，2档齿轮副敲击力幅值不断减小。当转动惯量增加到0.00 309 kg·m2以上时，敲击力变化趋于平缓。

以倒档空套齿轮转动惯量为自变量，分析其对R档齿轮副敲击力的影响规律，如图8所示。随着倒档空套齿轮转动惯量的增加，倒档齿轮副敲击力幅值不断增加。

综合2档和倒档空套齿轮转动惯量对敲击力的影响规律可知，齿轮副敲击力受其本身转动惯量影响较大，但转动惯量对每个齿轮影响规律并不相同。因此，空套齿轮转动惯量的优化，需要对各个齿轮分别进行分析。

4.齿轮侧隙

以倒档齿轮侧隙为自变量，提取各侧隙下倒档齿轮副敲击力变化时域曲线，如图9所示。

随着齿轮侧隙的增加，倒档齿轮副敲击力幅值不断增加。说明选择较小的侧隙有助于降低齿轮敲击强度，但避免因齿轮摩擦发热膨胀而卡死，必须保留一定的侧隙。因此只能在保证不影响齿轮副正常工作的情况下，尽量选择小的侧隙。

5.啮合刚度

以2档齿轮啮合刚度为自变量，提取2档齿轮副敲击力变化时域曲线，如图10所示，随着啮合刚度的增加，2档齿轮副敲击力幅值也随之增加。采用细高齿设计可以降低齿轮啮合刚度，从而有效控制高频敲击噪声。

 结语

本文应用AMESim软件建立某湿式DCT敲击模型，通过模型校验、敲击阈值预测及关键参数对敲击影响规律分析，得出以下结论：

1）仿真所得结果与测试结果基本一致，说明使用AMESim软件建立的DCT敲击模型有效，可以利用该模型进行齿轮敲击仿真分析，建模方法可用作同类分析的参考。

2）DCT齿轮敲击阈值较小，只要发动机正常运转，离合器接合的情况下，齿轮就会产生敲击。因此，对于DCT敲击问题，应该关心的是敲击的强弱，而不是敲击的有无。

3）齿轮敲击强度随外部输入转矩波动幅值增加而变大，适当增加初级飞轮转动惯量可有效减小变速器输入激励幅值，有利于改善敲击。

空套齿轮转动惯量对其本身敲击力影响较大，但转动惯量对各齿轮影响规律并不相同，需要对DCT各空套齿轮分别进行优化；适当减小空套齿轮副侧隙及啮合刚度，能有效降低变速器敲击灵敏度，对改善敲击有利。