某AT車型取力器敲齒問題的分析與研究

唐霜，梁宗峰，龔毅，常健，李肖龍

(重慶金康賽力斯新能源汽車設計院有限公司科技中心，重慶 402260)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及產品零部件開發(fā)水平的快速提升，汽車廠商和客戶對汽車整車性能的要求變得越來越高，而NVH性能作為整車性能的重要指標之一，備受汽車生產商和客戶的密切關注，而動力傳動系的NVH問題是影響整車NVH性能的主要因素之一，文中研究的取力器敲齒問題也屬于動力傳動系NVH問題。

本文作者闡述了敲齒噪聲產生的機制和常用優(yōu)化方法，并以此為基礎對市場反饋的某AT車型坡道行駛，發(fā)動機轉速1 200 r/min左右出現的車內敲齒噪聲進行了噪聲來源以及問題根本原因的調查分析，制定針對性的整改方案，最終對整改方案進行道路測試以及主觀評價驗收。

1 敲齒噪聲機制

一般而言，敲齒噪聲的主要原因是動力傳動系統存在著較明顯的扭轉振動，這是因為發(fā)動機在運行時缸體內氣體的爆炸燃燒、活塞的往復運動以及曲柄連桿機構的旋轉運動，導致發(fā)動機轉速呈現周期性波動，從而使發(fā)動機運轉不平穩(wěn)，表現為一定的轉速波動[1]。轉速波動引起的扭矩波動通過傳動系統時與傳動系統固有頻率重合，引起傳動系統扭轉共振，使振動放大。放大的振動作用于齒輪結構如變速器、取力器時就可能會產生嘯叫和敲齒的問題，敲齒噪聲通過整車機械結構和空氣等傳遞路徑傳入車內，則會嚴重影響駕駛員和乘客的乘坐舒適性。

2 敲齒噪聲優(yōu)化方法簡述

絕大多數車型都會出現傳動系統扭矩共振的問題，一般情況下，傳統車輛傳動系統一階扭轉模態(tài)固有頻率在40～80 Hz間[1]，此頻率處于發(fā)動機激勵頻率范圍內，由于設計的局限性，很難在此頻率避開發(fā)動機激勵。同時對于四缸燃油機，二階頻率所對應的發(fā)動機轉速為1 200～2 400 r/min，車輛在這個轉速段運行時，容易激發(fā)整個動力傳動系統產生扭轉振動[1]。共振問題與傳動系統固有頻率有著密切的聯系，不能徹底避免，通過合理的系統匹配，控制動力傳動系統的扭矩振動大小，把影響盡量控制在最小，最后不易被人感知，這是整車優(yōu)化常用方法，即發(fā)動機端扭振源頭控制，把到發(fā)動機扭振大小控制在一定范圍內，同時在傳遞途徑中通過有效方式衰減發(fā)動機輸出扭振，二者結合可以有效衰減傳動系統輸出的扭振。

2.1 發(fā)動機端扭振源頭控制

傳動系統扭振共振不可避免，控制源頭輸出的共振能量是優(yōu)化問題的方法之一。因傳統燃油車發(fā)動機的扭矩波動是不可避免，且為了追求更優(yōu)的動力性，發(fā)動機扭矩將越來越大，故扭矩波動僅能盡量控制在一定范圍內。車型研發(fā)初期，設定發(fā)動機扭振目標，經驗值目標見表1，并階段性地通過發(fā)動機臺架測試進行扭振目標驗收，確認和優(yōu)化發(fā)動機扭矩值滿足驗收標準，為傳動系統共振問題打下一定的基礎。

表1 發(fā)動機扭振目標

2.2 衰減發(fā)動機輸出扭矩波動

發(fā)動機的扭矩波動僅能控制在相對小的一個范圍內，相對傳動系統來說影響還是很大的，因此，一定要進行有效衰減即隔振。發(fā)動機的扭矩波動經中間部件傳遞至變速器端，進而傳遞至傳動系統，這個中間部件便承擔了衰減發(fā)動機扭矩波動的重要功能，MT車型的中間部件為離合器，AT車型的中間部件為液力變矩器。

AT車型帶鎖止離合器的液力變矩器分鎖止離合器結合和鎖止離合器分離兩種工作狀態(tài)，對應的發(fā)動機扭矩衰減原理各有不同：(1)在鎖止離合器處于結合狀態(tài)時，發(fā)動機功率經輸入軸、液力變矩器殼體和鎖止離合器直接傳至渦輪輸出軸，泵輪和渦輪被連接為一體，成為直接機械傳動，失去液力傳遞動力的功能，此時僅能依靠液力變矩器內的減振彈簧吸收發(fā)動機扭振，減振彈簧剛度越低，隔振效果越好；(2)在鎖止離合器處于分離狀態(tài)時，液力變矩器具有“變矩”和“耦合”兩種工作情況，液力變矩器的輸入軸和輸出軸為非剛性連接，內部工作油液可以吸收一定的發(fā)動機扭矩波動，衰減扭振。無論鎖止離合器是結合還是鎖止，液力變矩器均能在一定程度下衰減發(fā)動機扭矩波動[5]。液力變矩器結構如圖1所示。

圖1 液力變矩器結構示意

3 AT車型取力器敲齒問題解決實例

經市場反饋，某AT車型在坡道工況行駛，以小油門加速時，底盤前部存在劇烈的敲齒噪聲，引起了用戶的極大抱怨。為解決此問題，立即開展噪聲來源以及解決方法的調查研究。

此車型為四驅車，傳動系統如圖2所示。發(fā)動機輸出扭矩經液力變矩器傳遞至AT變速器，同時取力器通過花鍵與變速器剛性連接，并將前軸動力經中間驅動軸傳遞至后軸，實現四輪驅動。

圖2 AT車型傳動系統結構

3.1 敲齒噪聲來源調查

實車駕駛復現問題工況詳細為坡道行駛、加速至一定車速后完全松開油門滑行一段時間，再以小油門加速(油門開度28%以下)、發(fā)動機轉速1 200 r/min左右、變速器3擋、車速26～28 km/h時，底盤前部敲擊明顯。由于敲齒聲來自底盤前部，初步懷疑敲齒噪聲來源于變速器或者取力器。為進一步確認敲齒噪聲來源，分別于車內前排主駕右側(即駕駛員右耳位置)、變速器近場、取力器近場布置噪聲傳感器(麥克風)進行噪聲測試。

車內噪聲測點結果如圖3所示，從測試結果可知當發(fā)動機轉速在1 000～1 400 r/min時，車內敲齒頻率在300～1 800 Hz寬頻帶，根據圖4分別對比變速器和取力器的測試結果，可得取力器在300～500 Hz噪聲特征明顯，而變速器于300～1 800 Hz內無明顯特征，由此確認車內的敲齒噪聲來源于取力器。

圖3 車內噪點測試結果

圖4 變速器、取力器噪點測試結果

結合文中第1節(jié)可知，產生敲齒噪聲的主要原因是動力傳動系統存在著較明顯的轉速波動，為驗證這一結論使用INCA采集敲齒工況下整車行駛CAN數據進行分析，結果如圖5所示。從圖中可以看出在發(fā)動機轉速1 200 r/min左右，變速器3擋以小油門加速上坡行駛時，變速器渦輪轉速波動劇烈。由此可見，車內出現敲齒噪聲的同時變速器渦輪轉速波動異常，即異常波動的變速器渦輪轉速引起了取力器敲齒。

圖5 整車問題工況CAN數據

3.2 取力器敲齒噪聲優(yōu)化方案制定

由于現階段該車型的敲齒問題引起了市場用戶的極大抱怨，為了提升客服滿意度，保護企業(yè)口碑，問題的整改要求快速到位。綜合第3.1節(jié)敲齒噪聲來源的調查結果以及第2節(jié)簡述的敲齒噪聲優(yōu)化方法，通過優(yōu)化傳動系統扭振大小的方式，可解決取力器敲齒問題。

文中第2.1節(jié)發(fā)動機源頭扭振控制方式，適用于項目研發(fā)之初的目標管控以及開發(fā)驗收，后期整改周期長、難度大，不適用于現階段。同時第2.2節(jié)描述的通過液力變矩器衰減發(fā)動機輸出扭矩波動，其中鎖止離合器結合狀態(tài)下，通過降低液力變矩器減振彈簧剛度可以有效增大液力變矩器的扭振衰減能力，但現階段要想降低減振彈簧剛度，等同于減振彈簧的重新選型和匹配，同時還涉及液力變矩器本體模具變動，硬件開發(fā)工作量大、整改周期長、整改費用高，也不適用于當前快速整改的要求。而鎖止離合器的結合和分離是由自動變速器控制單元即TCU通過鎖止電磁閥控制油壓來實現，具體的結合點與分離點是根據實車運行情況標定選得，調整敲齒工況下液力變矩器鎖止離合器工作狀態(tài)，利用鎖止離合器分離狀態(tài)下輸入、輸出軸的非剛性連接，使內部油液吸收一定的發(fā)動機扭矩波動、衰減扭振，軟件調整是目前節(jié)點的首選方案。

整改方案初定，立即協同變速器廠家進行調整細節(jié)討論，查看當前的TCU換擋圖譜如圖6所示，可以了解到在油門開度小于28%，變速器3擋的液力變矩器鎖止圖譜解鎖車速為23.6 km/h，對應的發(fā)動機轉速為1 018 r/min，故敲齒工況下發(fā)動機轉速1 200 r/min、車速26～28 km/h時液力變矩器的鎖止離合器處于鎖止狀態(tài)，液力變矩器輸入軸和輸出軸剛性連接，內部油液無吸收發(fā)動機扭矩波動的作用。為使液力變矩器油液衰減扭振，那么3擋的解鎖點需避開敲齒工況。

圖6 TCU換擋圖譜

按照如上整改思路，變速器廠家進行多次液力變矩器鎖止圖譜調整，并實車進行駕駛驗收，最終在最佳的整車駕駛性能下，確定最優(yōu)的3擋液力變矩器鎖止圖譜調整方案，調整對比圖如圖7所示。從圖中可以看出，油門開度小于28%，調整后的變速器3擋液力變矩器鎖止圖譜解鎖車速為31.7 km/h，對應的發(fā)動機轉速為1 367 r/min。此時在原始的取力器敲齒工況點時，液力變矩器已解鎖，鎖止離合器處于分離狀態(tài)，液力變矩器輸入、輸出軸非剛性連接，液力變矩器內部油液有吸收發(fā)動機扭矩波動的作用。

圖7 調整后TCU換擋圖譜前后對比

3.3 調整方案驗收

將調整后的TCU軟件寫入至原車上進行取力器敲齒問題驗收。同工況道路駕駛測試，主觀評價敲齒噪聲消失，使用INCA采集整車CAN數據分析，數據如圖8所示。從數據上可以看出原始敲齒工況下變速器渦輪轉速較調整前的波動明顯減弱。結合主觀駕評的取力器敲齒噪聲消失的結果，可見通過調整液力變矩器鎖止圖譜，使敲齒工況點下，液力變矩器鎖止離合器分離，利用液力變矩器內部油液衰減發(fā)動機扭矩波動有效，并能成功解決敲齒問題。

圖8 調整后的整車CAN數據

4 結束語

敲齒噪聲直接影響整車NVH性能，嚴重將引起用戶抱怨，敲齒問題需有效解決。文中以某AT車型取力器敲齒噪聲為研究對象，通過試驗分析確定噪聲產生部件為取力器，然后基于敲齒噪聲產生的機制以及常用優(yōu)化方法，綜合實際情況決定通過調整TCU液力變矩器鎖止圖譜，利用液力變矩器鎖止離合器分離狀態(tài)下，液力變矩器輸入、輸出軸非剛性連接，內部油液衰減發(fā)動機的扭矩波動，以解決取力器敲齒問題，最后驗收通過，可以為取力器敲齒問題整改提供參考，具有一定的實用價值。