CVT變速器鋼帶自激振動(dòng)引起的噪聲分析與控制

張軍，梁健，顧鵬云，周昌水，劉路水

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

由于換擋平順、節(jié)油、成本和混動(dòng)兼容性等方面的優(yōu)點(diǎn)，自動(dòng)變速器（Continuously variable transmission，CVT）在國內(nèi)乘用車市場的占比逐步提升，并促進(jìn)了國內(nèi)CVT變速器企業(yè)研發(fā)與設(shè)計(jì)能力的快速發(fā)展。目前，雖然國內(nèi)已開發(fā)出多款自主品牌的CVT變速器，但在NVH性能、節(jié)能高效性、可靠性、質(zhì)量一致性等方面與世界先進(jìn)水平，仍存在差距，尤其在核心零部件開發(fā)和性能集成研發(fā)方面亟需提升。其中，由于對(duì)振動(dòng)噪聲性能在CVT變速器開發(fā)與控制的技術(shù)能力不足，往往在箱體量產(chǎn)和整車集成階段頻頻出現(xiàn)大量NVH問題，后期只有通過低效率的試錯(cuò)法嘗試解決，這是困擾CVT變速器集成開發(fā)的主要技術(shù)瓶頸之一。因此，近年來國內(nèi)外學(xué)者已廣泛關(guān)注CVT變速器NVH性能研究，主要集中在齒輪傳動(dòng)的嘯叫、敲擊和扭振領(lǐng)域，而很少涉及帶傳動(dòng)自激振動(dòng)噪聲的研究。

戈新生等[1]研究表明橫向振動(dòng)是引起帶傳動(dòng)噪聲的主要模式，Ulsoy等[2]研究了帶傳動(dòng)的耦合振動(dòng)，表明帶張力的變化會(huì)引起較大的橫向振動(dòng)，導(dǎo)致帶振動(dòng)的不穩(wěn)定性。Beikmann等[3]提出了弦線耦合振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，為帶傳動(dòng)NVH分析提供了理論基礎(chǔ)。為了識(shí)別CVT變速器的中高頻噪聲，Toshihiro等[4]建立較完整的鋼帶錐輪組有限元模型，并進(jìn)行了振動(dòng)特性的仿真分析。考慮到錐輪彈性特征，Wolfram等[5]完善了推力鋼帶的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)和驗(yàn)證了鋼帶振動(dòng)特征量的解析算法。文獻(xiàn)[6-7]研究了鋼鏈?zhǔn)紺VT夾持力的動(dòng)力學(xué)特性。以上研究工作，促進(jìn)了CVT變速器NVH性能開發(fā)的理論發(fā)展，但工程上仍缺乏系統(tǒng)性的研究分析。

本文介紹某搭載國內(nèi)自主開發(fā)推力鋼帶式CVT變速器SUV車型的急加速噪聲問題排查過程，驗(yàn)證了工程化措施的效果，這對(duì)于提升CVT變速器自主開發(fā)與整車NVH集成有較重要的參考價(jià)值。

1 CVT自激勵(lì)振動(dòng)噪聲測試與分析

對(duì)某搭載CVT變速器的橫置前驅(qū)SUV車型進(jìn)行整車NVH性能評(píng)價(jià)過程中，在D檔全油門急加速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min～3 500 r/min之間，在車內(nèi)可明顯感知到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在“嘶嘶”異常噪聲，類似于“嘯叫”，容易引起駕乘人員的抱怨，并且在環(huán)境溫度較低的工況下，此噪聲較明顯。通常，新下線車輛的這種特定異常噪聲較小，行駛一定里程之后，異常噪聲的水平會(huì)略有增加。從該NVH問題的現(xiàn)象來看，此噪聲的機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素也較多，因此該問題排查與工程解決的難度也較大。

1.1 整車狀態(tài)的噪聲測試分析與診斷

根據(jù)整車對(duì)異常噪聲位置的主觀判斷，采用測試設(shè)備進(jìn)行整車各相關(guān)位置的振動(dòng)噪聲采集分析，分別在變速器殼體表面布置振動(dòng)加速度器，在車內(nèi)布置麥克風(fēng)，通過CAN總線采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、油門開度、擋位等信息。

經(jīng)測試數(shù)據(jù)回放及識(shí)別，該異常噪聲主要表現(xiàn)為600 Hz～800 Hz的寬頻帶特征，無明顯階次，并與變速器殼體振動(dòng)測試特征相類似，如圖1所示。

圖1 整車加速工況的測試對(duì)比

1.2 動(dòng)力總成臺(tái)架的測試分析與診斷

經(jīng)整車狀態(tài)的測試分析，初步判定異常噪聲來自于變速器。所以，在動(dòng)力總成臺(tái)架上，進(jìn)一步開展噪聲源的排查。如圖2所示。采集CVT變速器油溫、主油壓、一軸和二軸的油壓信號(hào)，并在各油壓采集位置的附近，分別布置多個(gè)加速度傳感器，在D擋WOT工況下，測試各測點(diǎn)的振動(dòng)和壓力信號(hào)。根據(jù)測試結(jié)果，各測點(diǎn)均存在600 Hz～800 Hz的振動(dòng)特征，接近于整車狀態(tài)的車內(nèi)異常噪聲的時(shí)頻譜特征，而與主油壓、一軸和二軸油壓信號(hào)的關(guān)聯(lián)性較小，如圖3所示。

圖2 動(dòng)力臺(tái)架測試的傳感器布置

圖3 動(dòng)力總成臺(tái)架的測試分析

因此，基于整車、動(dòng)力總成臺(tái)架和變速器單體臺(tái)架的測試分析情況來看，該加速工況的異常噪聲可能與CVT變速器內(nèi)部的機(jī)械系統(tǒng)相關(guān)，而與液壓伺服系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性較小。

2 CVT自激勵(lì)噪聲機(jī)理及傳遞路徑

2.1 CVT變速器的結(jié)構(gòu)特征

該CVT變速器采用液力變矩器作為起步系統(tǒng)，采用雙行星齒輪機(jī)構(gòu)作為前進(jìn)擋和倒擋系統(tǒng)，并布置在輸入軸側(cè)，使用推力鋼帶配合帶輪組系統(tǒng)作為變速機(jī)構(gòu)。通過改變主/從動(dòng)輪和鋼帶的接觸半徑可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)變化，主/從動(dòng)輪組都由可動(dòng)和固定錐盤組成，可動(dòng)錐盤可沿軸向移動(dòng)，與固定錐盤形成V型夾角槽，并與鋼帶之間摩擦嚙合；而電液伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)控制可動(dòng)錐輪的軸向運(yùn)動(dòng)，保證鋼帶張力和扭矩的傳遞。在加速過程中，液力變矩器能夠增加扭矩傳遞，此時(shí)主動(dòng)錐輪的工作直徑相對(duì)較小，速比較低。變速器噪聲一般包含有齒輪嘯叫、油路嘯叫和敲擊，而本文研究的CVT變速器異常噪聲與這些常見的問題顯然都不相符。

2.2 CVT鋼帶自激噪聲的機(jī)理與模型

由于CVT變速器內(nèi)部特有的鋼帶傳動(dòng)形式，如圖4所示。因此，鋼帶與錐輪之間就可能存在自激勵(lì)振動(dòng)，通過變速器箱體的聲輻射或整車的“結(jié)構(gòu)”路徑，傳遞到車內(nèi)，并且此噪聲特征具有局域的寬帶頻譜特征和弱階次性[5]。對(duì)于CVT鋼帶自激振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生有3個(gè)要素，即系統(tǒng)能量的持續(xù)輸入、振動(dòng)體和非線性因子。具體來講，在鋼帶與錐輪的“嚙合”過程中，鋼帶的螺旋式運(yùn)動(dòng)軌跡，以及導(dǎo)致的徑向激勵(lì)力分量，這是造成自激振動(dòng)的能量輸入源；加速過程中，鋼塊的徑向運(yùn)動(dòng)分量是主要的激勵(lì)源；而鋼帶與錐輪之間的摩擦特性就是自激勵(lì)系統(tǒng)的非線性因子，其取決于潤滑油品質(zhì)、接觸表面特征、載荷力矩和工作溫度等因素。鋼帶與錐輪之間的摩擦特性存在“負(fù)阻尼”現(xiàn)象，與鋼帶和錐輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。

圖4 CVT鋼帶錐輪組的加速過程示意圖

2.3 CVT鋼帶的橫向振動(dòng)頻率特征分析

根據(jù)CVT變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，可解析計(jì)算出鋼帶橫向振動(dòng)的特征頻率，估算出變速器振動(dòng)噪聲的主要頻譜分布。基于簡化的CVT鋼帶橫向振動(dòng)模型，圖5所示。

圖5 CVT鋼帶橫向振動(dòng)模型

假設(shè)鋼帶為線性彈性體，錐輪為剛體，鋼帶錐輪傳動(dòng)系統(tǒng)可近似為弦振動(dòng)模型?；诶窭嗜談?dòng)力學(xué)方程，可得：

其中：q為鋼帶的廣義坐標(biāo)矢量為非保守系統(tǒng)的廣義主動(dòng)力，T和V分別是系統(tǒng)動(dòng)能與勢能，如下式（2）和式（3）所示：

其中，鋼帶系統(tǒng)的橫向運(yùn)動(dòng)變形量表示為ω(x,t)，v為鋼帶的縱向運(yùn)動(dòng)速度，μ為鋼帶的單位線質(zhì)量，EI為鋼帶彈性模量，L為鋼帶的切向距離，利用RITZ法，可求解如式（4）和式（5）微分方程，λ為特征向量。

因此，以上運(yùn)動(dòng)方程可表示為式(6)，M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，C為系統(tǒng)剛度矩陣，B為速度相關(guān)的力矩陣。

一般而言，鋼帶速度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的特征影響很小，與速度相關(guān)的公式項(xiàng)可以忽略。所以，鋼帶系統(tǒng)橫向振動(dòng)特征量可如式（7）計(jì)算。而對(duì)于鋼帶張力F，可以通過簡化的鋼帶錐輪組動(dòng)力學(xué)模型或傳動(dòng)系統(tǒng)的力矩傳遞標(biāo)定模型很容易地得到。

2.4 CVT鋼帶的自激勵(lì)力分析

在錐輪包角處，鋼帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖6所示，鋼帶的張力為f(φ)，m為鋼片質(zhì)量，r為錐輪半徑，θ為錐輪與鋼帶的摩擦夾角，fp,r為摩擦力，fp,n為正壓力，fa,x為為軸向摩擦力分量，Cele為鋼片與錐輪的合成剛度，μ為摩擦系數(shù)，則可得運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

假設(shè)frad,0為初始的鋼帶徑向力預(yù)載，Cbelt為鋼帶的徑向剛度，阻尼系數(shù)為dbelt，鋼帶繞錐輪的螺旋式徑向力分量frad，如式（9），即提供了自激勵(lì)系統(tǒng)的振動(dòng)能量輸入。

圖6 CVT鋼帶自激勵(lì)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型

2.5 整車的傳遞路徑分析

對(duì)于變速器自激勵(lì)噪聲的整車“結(jié)構(gòu)聲”與“空氣聲”路徑或貢獻(xiàn)度的試驗(yàn)分析，通常采用包裹變速器殼體與結(jié)構(gòu)路徑隔離的方法，如圖7所示。經(jīng)以上方法進(jìn)行排查，左懸置、換檔拉線和左驅(qū)動(dòng)半軸為主要的“結(jié)構(gòu)聲”傳遞路徑，但即使采用鑄鐵材質(zhì)的左懸置支架、左半軸增加對(duì)應(yīng)頻率的動(dòng)態(tài)吸振器、拉索增加配重塊等措施，也無法完全消除鋼帶引起的異常噪聲?！翱諝饴暋甭窂缴希瑒t是提升發(fā)動(dòng)機(jī)艙的隔聲能力，包括加強(qiáng)機(jī)艙密封性、增加前壁板鈑金厚度和隔音墊聲學(xué)性能。

圖7 CVT自激噪聲的整車傳遞路徑

3 CVT變速器本體的自激噪聲控制

根據(jù)以上自激勵(lì)振動(dòng)噪聲機(jī)理的綜合分析，可從以下三個(gè)方面降低傳統(tǒng)CVT變速器本體的噪聲：

(1)降低加速工況下鋼帶錐輪組的承載扭矩：通過整車標(biāo)定策略的優(yōu)化，降低動(dòng)力性；通過TCU標(biāo)定的優(yōu)化，減小鋼帶的安全系數(shù)，以降低夾持力。

(2)改善鋼帶與錐輪的摩擦性能，潛在的措施方案有：增加錐輪厚度或彈性模量，或者減小錐輪與軸的配合間隙，以減小錐輪的工作變形；減小滾柱的裝配間隙，提高輪軸與壓板的周向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度；提升油品的低溫性能；電液伺服系統(tǒng)中增加溫控閥或提升油溫上升速率；優(yōu)化錐盤加工的表面特征和粗糙度；對(duì)錐盤加工面的粗糙度優(yōu)化或者增加表面儲(chǔ)油特征；優(yōu)化鋼帶鋼塊的截面形狀等。

(3)控制變速器本體的聲輻射能力：在變速器殼體聲輻射的薄弱位置，增加特定的聲學(xué)包裝部件；通過變速器箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低“結(jié)構(gòu)聲”路徑的傳遞，如增加殼體厚度和加筋；或者在變速器的懸置安裝位置，提升安裝點(diǎn)的剛度和增加配重。

另外，為了解決急加速工況CVT變速器傳動(dòng)效率不高的問題，部分CVT公司在低擋下直接用新增的機(jī)械齒輪或內(nèi)嵌電機(jī)傳遞動(dòng)力，這從根源上就消除鋼帶自激勵(lì)振動(dòng)引起的噪聲。

4 工程優(yōu)化措施與驗(yàn)證

根據(jù)以上的機(jī)理分析，考慮成本和后期整改的工程可行性，因此主要從CVT變速器加工工藝上進(jìn)行優(yōu)化。具體措施方案為，控制帶輪組的安裝尺寸誤差，減小徑向和周向的裝配間隙，其中錐輪與軸配合間隙控制在0.025 mm以下；改進(jìn)錐輪熱處理和表面加工的工藝，提升部件剛度，并適度地增加錐輪表面粗糙度。在動(dòng)力總成臺(tái)架上對(duì)改進(jìn)前后的帶輪組進(jìn)行對(duì)比測試，變速器殼體的振動(dòng)特征改善明顯，左懸置主動(dòng)側(cè)支架的振動(dòng)對(duì)比，換裝在整車上進(jìn)行了驗(yàn)證，加速工況的鋼帶異常噪聲也顯著降低，如圖8和圖9所示。

圖8 動(dòng)力總成臺(tái)架振動(dòng)測試的對(duì)比

圖9 整車狀態(tài)的車內(nèi)加速噪聲的對(duì)比

5 結(jié)語

由于CVT變速器鋼帶自激勵(lì)噪聲的機(jī)理復(fù)雜，其影響的設(shè)計(jì)因素也較多，在產(chǎn)品開發(fā)的前期難以發(fā)現(xiàn)與規(guī)避，而在后期的研發(fā)階段，只能應(yīng)用有限的措施方案。本文以某車型的加速工況變速器異響噪聲為背景，系統(tǒng)地開展了整車和臺(tái)架的噪聲識(shí)別，闡述了CVT變速器自激勵(lì)噪聲的機(jī)理，最后從變速器本體和整車路徑上提出了具體的工程措施。同時(shí)，通過錐輪組裝配與錐輪表面粗糙度的優(yōu)化，分別在動(dòng)力臺(tái)架和整車上，測試和驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

目前，整車OEM廠家對(duì)NVH性能的要求越來越高，促使國內(nèi)CVT變速器行業(yè)對(duì)振動(dòng)噪聲性能越來越重視，在CVT變速器開發(fā)的前期，可基于鋼帶錐輪組摩擦臺(tái)架開展自激勵(lì)噪聲的理論與試驗(yàn)研究，以提升核心部件開發(fā)和性能集成的技術(shù)水平。