劉永亮，張 軍，溫國(guó)慶，羅浦文

（吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司, 浙江 寧波 315336）

近年來(lái)，隨著汽車(chē)保有量增加和高速路網(wǎng)建設(shè)推廣，用戶(hù)對(duì)高速行車(chē)抖動(dòng)的問(wèn)題越發(fā)關(guān)注。一般而言，此類(lèi)工況主要受路面激勵(lì)、輪胎輪輞系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的影響比較大[1]。但有些情況下，因動(dòng)力總成系統(tǒng)匹配引發(fā)的一些抖動(dòng)問(wèn)題卻很難分解，更無(wú)法做進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

本文對(duì)某CVT 變速箱車(chē)型出現(xiàn)的高速抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)與客觀數(shù)據(jù)路徑排查，發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)的激勵(lì)頻率與變速箱轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率一致，進(jìn)而觀察到變速箱油壓脈動(dòng)過(guò)大。通過(guò)理論分析找到合適傳損的脈動(dòng)阻尼器，并在油路系統(tǒng)中增加阻尼器來(lái)改善脈動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)而消除了整車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題，并推出工程化方案指導(dǎo)后續(xù)車(chē)型開(kāi)發(fā)，有效規(guī)避了此類(lèi)抖動(dòng)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 問(wèn)題描述

1.1 高速行駛抖動(dòng)

某CVT 車(chē)速在高速8 檔下在110 km/h～125 km/h加速時(shí)，轉(zhuǎn)速為2 200 r/min～2 800 r/min，整車(chē)座椅、地板、油門(mén)踏板存在明顯抖動(dòng)，7檔下同樣車(chē)速或同樣轉(zhuǎn)速均無(wú)此問(wèn)題。

1.2 激勵(lì)源分析

為了進(jìn)一步確定振動(dòng)傳遞路徑，在轉(zhuǎn)向節(jié)、變速器殼體與駕駛員座椅滑軌布置三向振動(dòng)加速度傳感器并采用專(zhuān)業(yè)振動(dòng)噪聲測(cè)試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，同時(shí)通過(guò)CAN 總線采集發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速、扭矩等信號(hào)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：

座椅抖動(dòng)頻率為10 Hz～12 Hz，分析轉(zhuǎn)向節(jié)上各激勵(lì)的特征，抖動(dòng)問(wèn)題頻率與輪胎轉(zhuǎn)速、半軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階次及其諧頻均不對(duì)應(yīng)。初步分析該抖動(dòng)與輪胎、半軸、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)無(wú)直接關(guān)系。

再進(jìn)一步觀察發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)其在10 Hz～12 Hz存在與問(wèn)題頻率完全同步的波動(dòng)特征，如圖1所示，由此基本鎖定動(dòng)力總成轉(zhuǎn)速波動(dòng)與抖動(dòng)問(wèn)題相關(guān)。

圖1 座椅抖動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)彩圖

同步監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相關(guān)的進(jìn)氣量、點(diǎn)火角、變速箱的檔位、轉(zhuǎn)速、油壓等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)變速箱從7 檔升到8檔后（37 s～44 s），在2 600 r/min～2 800 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間變速箱油壓波動(dòng)明顯增大，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)也變大，整車(chē)出現(xiàn)10 Hz～12 Hz 抖動(dòng)。從圖2中可以看出整車(chē)10 Hz～12 Hz抖動(dòng)與油壓波動(dòng)同步出現(xiàn)，油壓波動(dòng)極可能是引起抖動(dòng)的根源。

圖2 7檔升8檔時(shí)油壓、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)信號(hào)

2 抖動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理及控制因素分析

CVT變速箱主要靠液壓系統(tǒng)來(lái)控制錐輪鋼帶的位置，從而調(diào)節(jié)速比，實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速。液壓系統(tǒng)由油泵、液壓調(diào)節(jié)閥（用以調(diào)節(jié)傳動(dòng)比和傳動(dòng)帶與輪之間壓緊力）、傳感器（測(cè)量油門(mén)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）、主從動(dòng)輪的液壓缸及管道組成。如圖3 所示，對(duì)CVT 無(wú)極變速的準(zhǔn)確控制通過(guò)液壓系統(tǒng)的精密匹配實(shí)現(xiàn)。油泵驅(qū)動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相連，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高CVT的油壓越大，主、從動(dòng)錐輪的速比越大。

圖3 CVT變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)CVT 油路存在一個(gè)10 Hz 左右的激勵(lì)脈動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，進(jìn)而激起動(dòng)力總成低頻振動(dòng)。而整車(chē)懸架系統(tǒng)的簧下模態(tài)頻率為12.5 Hz，動(dòng)力總成Pitch（俯仰）模態(tài)為11 Hz。

如表1 所示，當(dāng)變速箱產(chǎn)生一個(gè)同樣頻率的激振力后，經(jīng)過(guò)動(dòng)力總成剛體模態(tài)和簧下模態(tài)的耦合共振，進(jìn)一步放大振動(dòng)，引起整車(chē)的抖動(dòng)。

表1 動(dòng)力總成剛體模態(tài)分析/Hz

要改善整個(gè)系統(tǒng)共振問(wèn)題，只能從兩方面進(jìn)行控制：（1）針對(duì)整車(chē)傳遞路徑抑制；（2）控制CVT油壓脈動(dòng)。

2.1 整車(chē)傳遞路徑分析

懸置剛度從兩個(gè)維度影響動(dòng)力總成振動(dòng)。一方面懸置位置和剛度決定了動(dòng)力總成剛度模態(tài)。表2所示為動(dòng)力總成模態(tài)分布，Pitch 分布在9.7 Hz～12Hz范圍內(nèi)，無(wú)法避開(kāi)當(dāng)前問(wèn)題頻率。另一方面懸置剛度大小影響隔振率，可以通過(guò)剛度的調(diào)整來(lái)改善動(dòng)力總成振動(dòng)，但懸置剛度關(guān)聯(lián)整車(chē)的多種工況，如加速、點(diǎn)熄火、怠速、過(guò)坎沖擊等等，需要進(jìn)行綜合全面的評(píng)估。

表2 動(dòng)總模態(tài)分布范圍/Hz

2.2 變速箱油壓穩(wěn)定性控制

CVT金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的機(jī)液控制系統(tǒng)如圖4所示，主要由液壓油泵、速比控制閥、帶夾緊力控制閥、起步離合器和倒檔制動(dòng)器控制閥等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓油泵，為整個(gè)系統(tǒng)提供流量和壓力足夠的液壓油。由與液壓油泵出口相連接的壓力控制閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)主壓力，直接作用在從動(dòng)輪液壓缸內(nèi)，在一定速比下，主壓力的大小決定著金屬帶的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。帶傳動(dòng)的速比是通過(guò)速比控制閥調(diào)節(jié)主動(dòng)輪液壓缸內(nèi)的壓力，經(jīng)金屬帶與從動(dòng)輪液壓缸內(nèi)的壓力達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而改變主動(dòng)輪的軸向位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于金屬帶的制約，主動(dòng)輪缸內(nèi)的壓力與從動(dòng)輪缸內(nèi)的壓力始終處于一種動(dòng)平衡狀態(tài)。

圖4 CVT機(jī)-液壓控制系統(tǒng)示意圖

可以從幾個(gè)方面嘗試優(yōu)化CVT液壓系統(tǒng)脈動(dòng)：

（1）在液壓油泵選型方面，電子油泵比機(jī)械油泵有更好的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性；

（2）在油泵結(jié)構(gòu)方面，油泵齒輪結(jié)構(gòu)可能對(duì)脈動(dòng)有所貢獻(xiàn)，改進(jìn)油泵結(jié)構(gòu)是可能的優(yōu)化方案；

（3）系統(tǒng)油路包括CVT內(nèi)部集成油路和外接油冷器的油路，通過(guò)調(diào)整油路走向、截面或增加阻尼裝置來(lái)衰減脈動(dòng)都是常用的方案。

前兩種方案的調(diào)整涉及油泵重新選型和動(dòng)力性、駕駛性等多緯度的綜合驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)驗(yàn)證費(fèi)用龐大，不適用于量產(chǎn)車(chē)輛后期的整改，故優(yōu)先考慮第3種方案。CVT 油冷器及管路布置如圖5 所示，變速箱油通過(guò)外接油管流入油冷器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水進(jìn)行冷卻。這段外接的油管上可以加阻尼裝置，該方案便于阻尼裝置靈活布置。

圖5 變速箱油冷器及管路布置示意圖

2.3 油壓脈動(dòng)阻尼器理論推導(dǎo)

采用傳遞損失公式進(jìn)行計(jì)算，尋找合適結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)阻尼器。如圖6 所示，P1(S）、Q1(S)、P2(S）、Q2(S)分別代表了高壓管進(jìn)油口與出油口的壓力波動(dòng)和流量波動(dòng)?？梢杂靡韵戮仃嚪匠瘫硎荆?/p>

圖6 高壓管模型

根據(jù)傳遞損失TL 的定義以及上述方程，TL 可表示如下：

在此方程中，Zc1和Zc2是調(diào)諧管進(jìn)出口的特性阻抗。它們由方程式（3）定義，ρ為液體的密度，c為聲音在管路液體中的傳播速度，α為管路半徑，ν為動(dòng)黏度，J0和J1為零階和1階的第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)，則

從式(2)中可以看出，TL只與管路進(jìn)出油口的特性阻抗有關(guān)，而與其他回路的波動(dòng)傳遞特性無(wú)關(guān)。由于Zc1、Zc2比較容易獲得，而T11、T12、T21、T22是調(diào)諧管4個(gè)固有的參數(shù)。這就說(shuō)明：

(1)有了TL，調(diào)諧管的固有脈沖振動(dòng)衰減特性可以被較準(zhǔn)確地估算出，在相同頻率下，TL值越高，脈沖振動(dòng)的衰減值就越大。

(2)如果T11至T12能被確定，調(diào)諧管的TL也就能被確定[2]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 懸置剛度提升驗(yàn)證

原車(chē)后懸置剛度為220 N/mm，更換成剛度為280 N/mm 的后懸置并進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試。油壓波動(dòng)沒(méi)有變化，整車(chē)振動(dòng)峰值從2.7 mm/s減小為2.2 mm/s，主觀評(píng)價(jià)從5.5分提升到6分，問(wèn)題有所改善但未能完全解決。但懸置剛度提升后整車(chē)加速轟鳴惡化，怠速振動(dòng)變大，此方案不可實(shí)施。

3.2 油冷器管路增加脈動(dòng)衰減裝置驗(yàn)證

根據(jù)傳遞損失分析和高油壓等特性，在管路中添加如圖7 所示的內(nèi)置變截面螺紋管式阻尼器[3]來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察油壓脈動(dòng)的變化。

圖7 管路增加脈動(dòng)阻尼器

結(jié)果如圖8、圖9 所示：變速箱油壓波動(dòng)降低70%，飛輪轉(zhuǎn)速以10 Hz～12 Hz 波動(dòng)的特征完全消除，整車(chē)高速行駛時(shí)以10 Hz～12 Hz 抖動(dòng)的現(xiàn)象也完全消除，主觀評(píng)價(jià)為7分。

圖8 加阻尼器后油壓波動(dòng)減小

圖9 加阻尼器后座椅振動(dòng)消除

綜合各方案的可行性分析和實(shí)車(chē)驗(yàn)證效果，在油冷器管路中增加阻尼器是最有效的方案。經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試此阻尼的增加對(duì)油溫影響較小，仍然滿(mǎn)足熱管理的要求。因此在管路中增加內(nèi)置變截面螺紋管式阻尼器成為解決此高速抖動(dòng)問(wèn)題的工程化方案。

4 工程措施

由于自動(dòng)變速箱液壓伺服系統(tǒng)存在壓力脈動(dòng)，在高速和低速起步工況下都容易引起動(dòng)力總成的低頻振動(dòng)，再通過(guò)懸置引起整車(chē)抖動(dòng)。一般可以從以下幾個(gè)方面改進(jìn)：

（1）選用控制更精準(zhǔn)的電子油泵來(lái)替代機(jī)械油泵，這種替代一般在工程樣車(chē)早期方案階段容易實(shí)施；

（2）油泵齒輪是油壓的動(dòng)力源，油壓脈動(dòng)往往與油泵齒型有密切關(guān)系。嘗試對(duì)齒型進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化往往會(huì)有不錯(cuò)的效果；

（3）在高壓油管中匹配適當(dāng)?shù)淖枘崞?。常用的有擴(kuò)張室式、內(nèi)置鑲塊式、內(nèi)置螺紋管式等幾種結(jié)構(gòu)形式[4]，根據(jù)實(shí)際布置情況、油壓大小、傳損需求選用不同的結(jié)構(gòu)形式來(lái)匹配[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)保有量的增加和高速公路建設(shè)的推廣，高速行車(chē)時(shí)的舒適性研究顯得愈發(fā)重要。

（1）本文針對(duì)某款CVT車(chē)型研發(fā)階段遇到的高速抖動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)主觀識(shí)別與客觀測(cè)試分析鎖定振動(dòng)激勵(lì)源和傳遞路徑。

（2）通過(guò)在變速箱油冷器管路中增加阻尼器來(lái)減小油壓波動(dòng)，進(jìn)而消除高速抖動(dòng)。

（3）提出了多種控制自動(dòng)變速箱油壓脈動(dòng)的工程化方案，對(duì)后續(xù)車(chē)型在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中類(lèi)似問(wèn)題的規(guī)避具有重要指導(dǎo)意義。