7DCT性能开发及整车集成

陈晓峰　郑立朋　韩川波　高海龙　宋杰

摘 要：本文以长城汽车7DCT湿式双离合变速器性能（燃油经济性、NVH性能）开发为例，阐述了自动变速器性能开发及整车集成优化的主要技术及方法，并对变速器性能开发及整车集成体系进行论述总结，对自动变速器性能开发匹配集成具有一定指导意义。

关键词：双离合变速器;油耗;效率;振动;噪声;整车集成

1 引言

2017年三月份量产的长城汽车7DCT自动变速器，是中国国内首款7速湿式双离合变速器。在SOP后，分别搭载在WEY、哈弗等明星车型上，并得到业内专家及终端用户的高度认可，并连续两届被评为龙蟠杯世界十佳变速器。之所以取得这样的成绩是由于在变速器的各项开发上，引入全寿命周期自主研发，未雨绸缪，提前识别风险并对策。在油耗和NVH性能开发方面，从设计之初到项目后期，历经变速器整个开发周期，一直采用了阶段及总体目标迭代管理。在概念设计阶段就对油耗及NVH提出较高的要求，并经过详细设计，及后期台架验证、整车集成等各阶段优化开发，最终在项目SOP后得到较高的整体性能。

2 7DCT效率与油耗

2.1 影响变速器效率的诸多因素

7速湿式双离合变速器，是一个集控制、液压、机械于一身的复杂系统。相比于传统MT，传递效率的影响因素更复杂。

我们在产品开发过程中，已经识别出的优化项目有：

1.优化齿轮设计速比，调整发动机工作点位置;

2.通过调整润滑油路、結合点等措施降低离合器拖曳扭矩;

3.通过详细齿轮修行，优化螺旋角、压力角、侧隙等，降低齿轮摩擦损失;

4.通过CAE分析优化轴承预紧力;

5.结构优化，结合CAE分析降低整箱重量，同时减小转动惯量;

6.更换性能更加优异的低粘度润滑油;

7.优化油泵设计，降低润滑油泄漏量，提高油泵效率;

8.计算最佳润滑油量，增加挡油板等措施，降低齿轮、离合器等搅油损失;

9.双泵系统，主动按需调整冷却，进一步提升冷却效率;

10.优化变速器控制策略，尤其是kisspoint点的标定和离合器滑摩控制;

11.优化液压系统主油压，减少液压模块泄漏量等。

2.2 仿真提升变速器效率的措施

在整车级系统集成分析中，变速器效率对整车经济性、动力性影响非常大，因此，在变速器开发过程中，伴随测试，进行了丰富的系统级优化仿真。为提升变速器系统效率，主要进行四个大方向的改进：①尽可能降低拖曳扭矩和液压执行机构的能量损失;②系统级考虑变速器效率优化方向;③传动系统与整车匹配紧密结合;④综合考虑软硬件性能，实现最优组合。

液压系统的仿真主要分两个方向，一是基于AMESim对液压控制进行系统仿真及功能验证，二是基于CFD手段对系统局部进行流体性能验证 ;变速器软件仿真验证主要依靠MATLAB/simulink对变速器软件功能进行验证;变速器系统级和整车级性能仿真分别依靠AMESim和AVL CRUISE软件进行分析，得出每一项详细因素对效率的影响比例。

最终，经仿真验证及测试分析，7个大项实现对变速器整箱效率合计4.47%（图1）的优化。

2.3 油耗整车集成优化

变速器作为车辆“三大件”之一，对整车性能的发挥有着直接作用，匹配不同级别的车辆，与发动机特性紧密配合，都是要考虑的对象。而且，由于世界各国对排放的要求日益严格，也要求我们在考虑动力性的基础上更加注重动力系统的匹配。我们以WLTC工况为基础，以整车油耗为目标，对发动机负荷进行分析，结果如图2。

图3为变速器效率变化规律（以某一挡位为例）：同一转速下，扭矩越大，效率越高;同一扭矩下，转速越大，效率越低。发动机工作特性也有一个经济工作区间，如图4， 这时为提升整车经济性，就需要通过整车匹配修正工作区域，保证发动机与变速器紧密配合下能发挥最佳经济性能。

为实现动力系统的最佳匹配，有两种匹配方式：① 根据整车扭重比，合理设计变速器速比，调整发动机和变速器工作区间;② 在不改变硬件参数的基础上，通过优化换挡控制策略，调整工作点位置。两种措施需要相互结合优化才能达到最佳效果。

同一套动力系统，在搭载不同车辆时，首先通过仿真评估某一工况（本文采用WLTC标准工况）下的载荷需求，变速器输出扭矩相同情况下，减小速比，提升发动机负荷，提高整车效率。换挡控制策略基于相同的基础原理，但是，优化换挡点后，会带来低速轰鸣、抖动等NVH问题。为解决低速换挡问题，需结合双质量飞轮进行优化，增加CPA可有效提升换挡线优化带来的附加问题。

经过各项优化，7DCT整体效率得到提升，以长城汽车魏派VV5为例，对整车搭载后的油耗进行分析，油耗降低0.5L/100km。基于当前7DCT研发经验，开发X-DCT，预计整车油耗可进一步下探至6.6L/100km。

3 7DCT NVH性能开发

3.1 变速器NVH研发流程

变速器NVH开发流程上，从概念设计到项目SOP，我们使用了国际通用的正向开发流程。核心流程可以简化为图5：

主要有竞品分析、目标定义、仿真分析、实验测试，其中各个环节都是前后迭代优化的。

3.2 标杆选型及目标定义

在前期概念设计阶段，首先要确定NVH设计目标，包括主客观评价目标。设定主客观目标的话主要是通过标杆车的主客观NVH测试，但该方法无法有效确定不同驾驶风格和路况下激励源的载荷分布，导致后期对激励源载荷风险控制不准确。如：3挡齿轮噪音明显的工况下，油门开度下是多少？发动机工作在何种转速何种扭矩下？

本项目中在此目标确定阶段，创新性的使用了路谱采集及仿真技术，并应用于在NVH目标确定。通常路谱采集及路谱仿真多用于可靠性及耐久性目标，但本项目，除了传统路谱数据采集外，同步采集了变速器振动、噪声等信号，并进行了NVH路谱目标识别，并对NVH目标进行确定。路谱测试标杆车选择原则：

1.选择搭载同类型的变速器的同类型车型，例如：由于我司开发DCT主要应用于SUV，因此我们在搭载DCT的SUV车型中选择。

2.车型的功率/重量比、扭矩/重量比必须与规划车型近似。

3.尽可能选择同样挡位

4.尽可能选择同样的发动机类型（气缸数、有无涡轮增压等）

工况选择原则：城市拥堵路况、高速工况、山路等;部分油门、收油滑行、低速蠕行、全油门等。不同驾驶风格类型。测试数据包括：变速器振动、车室内噪声、车速、半轴扭矩、发动机转速、变速器输入扭矩、挡位、精确GPS信号等。

通过对数据的处理，统计确定标杆车型各转速下挡位阶次振动、声压级、车辆总级、悬置隔振性能、车身敏感度等数据，并统计出不同NVH典型工况下，发动机扭矩和半轴扭矩与车速、挡位、变速器振动及NVH主观评价的关系图谱，以确定待开发变速器各工况下，各挡位齿轮组的实际扭矩及主观评价、客观振动等数据的对应关系，并作为后期整箱振动、齿轮传递误差设计等参数设计的输入。当然，测试还可得出各项耐久试验以及振动疲劳试验数据，以及道路GPS数据，后期可根据此数据进行虚拟道路建模，以便进行后续各设计阶段NVH路谱仿真打下基础。结合NVH路谱测试、仿真数据与标杆噪声水平进行整车、部件噪音振动目标值设定。

3.3 变速器NVH设计因素总览及分析

依据开发目标对变速器NVH性能設计进行总览分析，主要影响因素见表1：

其主要流程为基于DCT变速器功能对各功能总成动力流进行分析，明确各子零部件各种功能下受力载荷转速分析、各转动零部件工作频率范围及关键零部件模态频率范围，主要技术手段有：结构力学仿真、扭振仿真、模态识别及响应分析、总成解耦分析等。

根据NVH理论，振动噪声主要由激励源产生，经传递路径放大或衰减，然后构成人的主观响应。所以此阶段主要目标是尽可能减小变速器激励。因此，变速器各挡位在轴系上布局上，尽量遵循低档位布局两端，高档位布局中部，以缓解轴受挡轮径向载荷的弯曲模态激励。同时在轴系设计上，调整螺旋角尽可能抵消输入、输出的轴向力;多轴轮系啮合时，调整中间轴中心与其他两轴的角度布置，可以缓解齿轮径向力和切向力的叠加，降低中间轴受力，比如倒挡惰轮轴要布置在输入和输出轴反力抵消一侧。此外，在不影响空间及功能前提下优先考虑齿轮跨距间隔、齿轮距轴承间隔对单级轴系刚度分配的影响，提升整体刚度及固频，优选设计的轮齿跨距可有效减小齿轮副的耦合效应。DCT轴向布局如图6。

在总体布局时，需分析挡轮阶次耦合率指标，由于齿轮的啮合力波动是变速器振动的主要激励源，因此齿轮的阶次分析在概念设计时非常重要，通过阶次分析及频率预测，可以防止系统性激励共振问题，一般挡轮之间的阶次耦合率应大于5%，挡位配合齿轮齿数尽可能避开公约数和公倍数，如有共啮齿轮还需避开相位调谐;同时在保证齿轮的可靠性下，变速器的阶次尽可能的设计的要低一些，可以有效避开人耳的频率敏感区域，对此可以通过概念齿轮对的声辐射仿真，评估齿轮阶次噪声敏感性;此外关键工作频率下要尽可能避开轴系弯曲模态及壳体在此挡位工况下的呼吸模态频率，如图7。

另外，降低齿轮的传递误差可有效降低啮合激励，降低齿轮啸叫风险。主要考虑齿轮宏观参数优化和微观修形参数优化，宏观参数优化参数为端面重合度、轴向重合度、齿面滑移率等参数，一般端面重合度尽可能设计为整数，如2、3等，同时要避开1.5;轴向重合度大于1.3，小于2.5，滑移率应当小于2。这样设计的齿轮基础传递误差较小。微观修形齿轮微观参数确定上主要原则为，尽可能降低小负荷、低速时的齿轮传递误差，兼顾大油门常用转速下传递误差优化。如图8-11。

变速器工作温度为-40～110度之间的宽广范围，材料的热胀冷缩要求，运转零件要有一定间隙补偿，同时齿轮对的自由旋转也需要一定的润滑间隙，因此齿轮对间有一定的啮合侧隙和轴向间隙，这些间隙导致变速器在某些扭矩交互工况下产生“铛铛”的敲击噪声。因此要提前考虑总成扭振模态，进行总成扭振分析，对系统惯量和阻尼进行调整，当然变速器由于受结构布局影响，很多时候无法大范围调整，可利用DMF的惯量、刚度及阻尼进行总成扭振衰减（发动机一阶、二阶振动），从而缓解总成扭振。同时变速器总体不能出现较大扭转响应，必须避开动力总成悬置的扭转模态。分析模型如图12。

最后，依据轴系布局形式和齿轮结构承载能量流为基础，对壳体进行整体的拓扑优化，基于声学理论对轴系、壳体的辐射效率、面板贡献等进行详细设计，以确定可能的NVH风险和可微调的方向。如：轴系模态、齿轮幅板形状、位置调整（惯量的微调、力系微调），壳体筋板布局（提升刚度、抑制局部模态）等。同时评估常用转速工况下的载荷激励，调整变速器壳体结构系统的固有频率，轴系系统模态及壳体整体模态的耦合风险。如图13。

另外， DCT变速器换挡噪声是十分重要的性能之一，在详图设计阶段，进行换挡动力学仿真十分必要，可利用Amesim/simlink、Adams、Virtual Lab进行换挡过程的策略及动力学联合仿真，可以有效计算不同换挡策略在同步过程中的碰撞能量，并进行声辐射分析，进而不同换挡策略下可能的换挡噪声风险，为后期的换挡噪声标定策略进行初期指导。其噪声和冲击优化方向主要为换挡结合速度曲率控制、同步惯量优化等。图14为换挡过程冲量优化后及壳体表面振动对比。

3.4 样机NVH性能试验及优化

变速器开发进入样机试制阶段，NVH设计指标需要再样机验证阶段进行相应试验，以检验设计是否达到开发目标。主要进行以下试验分析并优化，如图15：

● 变速器齿轮接触斑点试验

主要确定变速器齿轮在各种工况下的接触情况，是否与仿真设计相符，同时校验振动与接触斑点的相关性。如果相关性与预测结果不符，就需要进行微调，保证NVH工况下的良好接触

● 部件模态试验（壳体、轴）

分别对各个轴、齿轮、轴分总成、总成模态进行试验和仿真，识别常用高转速工况下激励与子部件固有频率风险，对不满足安全系数的部件进行刚度提升（如轴径加粗、轮廓内加筋等）使耦合共振风险系数控制安全系数内。同时对模态及共振表进行更新，以评估可能带来的NVH问题，并制定相应的对策。在出现重大响应的部件，需要调整结构模态进行解耦处理。

● 变速器总成模态试验

总成状态下进行模态实验，对低频模态进行识别，防止出现重大共振风险

● 变速器温度及扭矩依存性振动试验

评估各挡位变速器壳体振动，主要检测变速器在不同台架工况下振动情况。在项目后期可与EOL台架NVH数据及整车振动进行对比分析。工况要使用NVH路谱数据处理后的标准工况（扭矩、温度等）;测点位置选择变速器轴承位及整车传递路径上的测点。这样不仅可以评估变速器本体振动，同时可以评估整车集成后的风险。

● 变速器换挡噪声试验

主要考核换挡噪声，对换挡冲击敏感度进行评估，同时可通过台架标定对换挡噪声进行相关优化。

通过上述一系列NVH试验测试，便于发现NVH目标与结果的差异，评估风险，并进行必要的设计迭代优化，提升变速器性能。

4 变速器整车集成设计及测试优化

4.1 整车集成仿真

噪音的传递路径可分为空气传播和结构传播，在低频区域内空气传播占主导地位，而中高频的车内噪音大部分为结构路径的传递。变速器一般处于转速、激励频率相对较高的转速范围内。因此，除了前期必须的隔音材料的应用，更重要的是通过传递路径结构的仿真分析，构建传动链各系统模态频率分布表以达到避免频率耦合而产生共振，如图16，各组成部件频率间隔需满足10%的基本要求。如受空间布局限制，可采用增加动力吸振器或优化减振器特性等手段降低FRF频响函数幅值达到降噪的目的。

变速器产生的激励力会通过轴系、轴承、壳体、悬置、半轴、副车架、拉锁等路径传递至车内，引起客户抱怨，因此在变速器的NVH集成优化就显得尤为重要。在整车集成阶段主要工作有以下方面，如表2。

● 悬置概念仿真优化

悬置系统除了具备支撑动力总成的作用，更重要的是对激励力的衰减和隔振。在悬置概念仿真方面，需根据动力总成的质心、惯量及整车空间，设计悬置的布局方式、安装位置、安装角度、动态刚度等参数，以保证解耦性能和隔振性能满足设计需求。Ry方向的解耦性应大于90%，悬置隔振量大于20Db.在设计初期，需确认变速器支架、悬置托臂总成装配下的模态频率，避免发生耦合共振或强迫振动大的问题。一般要求悬置支架頻率应大于700Hz。

● 半轴模态仿真

由于变速器齿轮激励频率宽，极易在低转速范围内与半轴低阶频率耦合，哨音被放大。因此，半轴设计在保证强度与操稳的同时，应考虑模态频率优化，常见方式为采用空心半轴或优化半轴直径。如频率耦合无法避免，可针对共振频率设计相应的动力吸振器以达到将噪的目的。

● 动力总成模态仿真

在整车集成阶段，变速器与发动机一起耦合的弯曲模态会造成一些共振频率，导致后期某些转频下共振，因此动力总成模态也是非常重要的考虑因素，良好的设计可以有效预防共振发生。

● 路径响应仿真（油泵、换挡拉索）

现在车型发动机机舱布局趋于紧凑，变速器本体振动噪音往往通过换挡拉锁、冷却油路、冷却水路等路径传递至车内。因此，需对管路的布局结构、车身连接点隔振措施进行排查梳理，管路设计应考虑自身固频，避免与油泵齿轮等激励频率发生耦合。

4.2 整车NVH测试及优化

整车变速器NVH测试就是测试各种工况下整车行驶时各档位噪声及换挡噪声等，并同步记录各种整车PT CAN数据、变速器TCU数据，从而可进行噪声相关性分析，便于进行各种噪声源定位及分析噪声背后的动力总成激励数据。整车集成阶段的测试工作，是排查主观评价问题的重要手段，也是NVH优化的指引，针对变速器噪声，在此阶段主要测试有以下几种，如图17：

● 动力传动系统扭振测试

各工况扭转测试包括整车起步振动测试，以便于确认整车状态下，传动系敲击异响。

● 动力总成模态测试：

动力总成模态应考虑弯曲模态与车身空腔模态的耦合，同时对弹性体模态频率不满足安全隔振系数的模态进行优化，增加壳体连接端面半径、螺栓数量以及结合面两侧局部刚度，以达到更优的动力总成NVH性能。

● 整车变速器行驶噪声测试

主要测试不同路谱工况下整车行驶齿轮噪声，从整车角度评估变速器NVH性能，并用于EOL相关性的设定。

● 驻车换挡噪声测试（PRND）

主要测试静态换挡及移库摇篮换挡工况下，整车振动及变速器换挡冲击。

● NVH整车匹配标定优化

由于自动变速器的标定，可以局部改变变速器噪声激励，在某些特定工况下，通过标定控制优化，可以有效降低NVH问题，主要优化思路有两方面：改变激励频率，如可以控制换挡Map的升降档，防止某些特定频率的共振;改变激励大小，如：在反拖滑行工况，可以保持发动机扭矩，防止较大的反拖扭矩产生齿轮反拖啸叫。基于NVH主客观测试，同时结合硬件优化可行性，通过对NVH整车标定匹配优化，在以下方面可进行NVH调校：

1.齿轮啸叫换挡线优化

2.换挡噪声策略优化

3.整车轰鸣换挡策略优化

4.起步敲击换挡策略优化

5 量产NVH EOL验证及开发

在整车量产之后，变速器NVH开发工作一般已经结束，但如何保证量产变速器NVH性能的一致性，仍然有很多NVH工作要做。比如极限公差下变速器的NVH验证、变速器EOL下线交检NVH标准制定等，其中基于NVH台架及整车对应关系建立的NVH EOL下线标准，可以有效保证量产变速器NVH的一致性。因此该标准的开发就成为量产准备阶段的重点，具体工作有：

EOL台架变速器测点位置的选取、整车对应关系的建立，具体流程如图18。

EOL测点选取基准，一般情况下依据实车噪音贡献量确认测点位置与测点的方向，基于变速器整车振动传递位置无非是悬置点、半轴轴承位、发动机结合面、换挡支架位置等，故一般通过实车测试验证选取合适测点，其与整车对应关系较为一致，如图19。值得注意的是EOL测点选择要为刚度较大的点，更能够发现因齿轮、轴承等异常引起的振动，从而避免局部模态引起振动值偏大，台架测试不稳定等问题，刚度大的点敏感度反而更高。

测试工况建立，依据整车实际常用扭矩、常用温度定义台架测试工况，优先选择整车噪音敏感的工况为佳，如果一个扭矩无法满足EOL需求，可同一挡位随转速变化采用不同的扭矩来采集，一般情况下最多设置两个扭矩段，振动测点与整车一致。7DCT EOL测试工况设计试验，即采用实际车辆常用扭矩转速测试进行EOL测试扭矩和转速的定义，另外在转速升速率设计时，应结合生产节拍进行相应的优化。

通过上述工作，可以建立出EOL下线NVH交检标准，保证量产变速器整车NVH一致性。

6 性能开发及匹配总结

在长城汽车7DCT开发中，通过不同设计阶段的性能及匹配開发策划活动，运用变速器本体设计与整车系统结合的方法，保证了7DCT搭载整车的油耗及其大批量量产后NVH性能的一致性和鲁棒性。搭载我司7DCT的VV7、VV5等车型整体振动测试结果十分优秀，与国际豪华品牌标杆车型相当。在中国汽车工程学会的技术鉴定中得到专家委员会的一致肯定，同时搭载VV5、VV6车型的我司7DCT，分别在2017年和2018年龙蟠杯世界十佳变速器评选中，经过国际专家和媒体的评比打分后，从40多款变速器的激烈竞争中脱颖而出，被评为世界十佳变速器之一。从而也侧面证明，本次7DCT性能开发和整车集成工作对今后变速器开发的指导意义。

参考文献：

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