變速箱油壓波動引起整車高速抖動診斷與分析

劉永亮，張 軍，溫國慶，羅浦文

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司, 浙江 寧波 315336）

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

本文對某CVT 變速箱車型出現(xiàn)的高速抖動問題進(jìn)行分析，通過主觀評價與客觀數(shù)據(jù)路徑排查，發(fā)現(xiàn)抖動的激勵頻率與變速箱轉(zhuǎn)速波動頻率一致，進(jìn)而觀察到變速箱油壓脈動過大。通過理論分析找到合適傳損的脈動阻尼器，并在油路系統(tǒng)中增加阻尼器來改善脈動現(xiàn)象進(jìn)而消除了整車抖動問題，并推出工程化方案指導(dǎo)后續(xù)車型開發(fā)，有效規(guī)避了此類抖動問題再次發(fā)生。

1 問題描述

1.1 高速行駛抖動

某CVT 車速在高速8 檔下在110 km/h～125 km/h加速時，轉(zhuǎn)速為2 200 r/min～2 800 r/min，整車座椅、地板、油門踏板存在明顯抖動，7檔下同樣車速或同樣轉(zhuǎn)速均無此問題。

1.2 激勵源分析

為了進(jìn)一步確定振動傳遞路徑，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加速度傳感器并采用專業(yè)振動噪聲測試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，同時通過CAN 總線采集發(fā)動機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速、扭矩等信號，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：

座椅抖動頻率為10 Hz～12 Hz，分析轉(zhuǎn)向節(jié)上各激勵的特征，抖動問題頻率與輪胎轉(zhuǎn)速、半軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)點火階次及其諧頻均不對應(yīng)。初步分析該抖動與輪胎、半軸、發(fā)動機(jī)扭矩波動無直接關(guān)系。

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

圖1 座椅抖動和轉(zhuǎn)速波動彩圖

同步監(jiān)測發(fā)動機(jī)燃燒相關(guān)的進(jìn)氣量、點火角、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)間變速箱油壓波動明顯增大，同時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動也變大，整車出現(xiàn)10 Hz～12 Hz 抖動。從圖2中可以看出整車10 Hz～12 Hz抖動與油壓波動同步出現(xiàn)，油壓波動極可能是引起抖動的根源。

圖2 7檔升8檔時油壓、轉(zhuǎn)速、振動信號

2 抖動產(chǎn)生機(jī)理及控制因素分析

CVT變速箱主要靠液壓系統(tǒng)來控制錐輪鋼帶的位置，從而調(diào)節(jié)速比，實現(xiàn)無極變速。液壓系統(tǒng)由油泵、液壓調(diào)節(jié)閥（用以調(diào)節(jié)傳動比和傳動帶與輪之間壓緊力）、傳感器（測量油門和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速）、主從動輪的液壓缸及管道組成。如圖3 所示，對CVT 無極變速的準(zhǔn)確控制通過液壓系統(tǒng)的精密匹配實現(xiàn)。油泵驅(qū)動軸與發(fā)動機(jī)輸出軸相連，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高CVT的油壓越大，主、從動錐輪的速比越大。

圖3 CVT變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)CVT 油路存在一個10 Hz 左右的激勵脈動時，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也產(chǎn)生相應(yīng)的波動，進(jìn)而激起動力總成低頻振動。而整車懸架系統(tǒng)的簧下模態(tài)頻率為12.5 Hz，動力總成Pitch（俯仰）模態(tài)為11 Hz。

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

表1 動力總成剛體模態(tài)分析/Hz

要改善整個系統(tǒng)共振問題，只能從兩方面進(jìn)行控制：（1）針對整車傳遞路徑抑制；（2）控制CVT油壓脈動。

2.1 整車傳遞路徑分析

懸置剛度從兩個維度影響動力總成振動。一方面懸置位置和剛度決定了動力總成剛度模態(tài)。表2所示為動力總成模態(tài)分布，Pitch 分布在9.7 Hz～12Hz范圍內(nèi)，無法避開當(dāng)前問題頻率。另一方面懸置剛度大小影響隔振率，可以通過剛度的調(diào)整來改善動力總成振動，但懸置剛度關(guān)聯(lián)整車的多種工況，如加速、點熄火、怠速、過坎沖擊等等，需要進(jìn)行綜合全面的評估。

表2 動總模態(tài)分布范圍/Hz

2.2 變速箱油壓穩(wěn)定性控制

CVT金屬帶式無級變速器的機(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器控制閥等組成。發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動液壓油泵，為整個系統(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。帶傳動的速比是通過速比控制閥調(diào)節(jié)主動輪液壓缸內(nèi)的壓力，經(jīng)金屬帶與從動輪液壓缸內(nèi)的壓力達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而改變主動輪的軸向位置來實現(xiàn)的。由于金屬帶的制約，主動輪缸內(nèi)的壓力與從動輪缸內(nèi)的壓力始終處于一種動平衡狀態(tài)。

圖4 CVT機(jī)-液壓控制系統(tǒng)示意圖

可以從幾個方面嘗試優(yōu)化CVT液壓系統(tǒng)脈動：

（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)可能對脈動有所貢獻(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，通過調(diào)整油路走向、截面或增加阻尼裝置來衰減脈動都是常用的方案。

前兩種方案的調(diào)整涉及油泵重新選型和動力性、駕駛性等多緯度的綜合驗證，開發(fā)驗證費用龐大，不適用于量產(chǎn)車輛后期的整改，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，變速箱油通過外接油管流入油冷器，利用發(fā)動機(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 油壓脈動阻尼器理論推導(dǎo)

采用傳遞損失公式進(jìn)行計算，尋找合適結(jié)構(gòu)的脈動阻尼器。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和流量波動?？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為動黏度，J0和J1為零階和1階的第一類貝塞爾函數(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傳遞特性無關(guān)。由于Zc1、Zc2比較容易獲得，而T11、T12、T21、T22是調(diào)諧管4個固有的參數(shù)。這就說明：

(1)有了TL，調(diào)諧管的固有脈沖振動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 實驗驗證分析

3.1 懸置剛度提升驗證

原車后懸置剛度為220 N/mm，更換成剛度為280 N/mm 的后懸置并進(jìn)行實車測試。油壓波動沒有變化，整車振動峰值從2.7 mm/s減小為2.2 mm/s，主觀評價從5.5分提升到6分，問題有所改善但未能完全解決。但懸置剛度提升后整車加速轟鳴惡化，怠速振動變大，此方案不可實施。

3.2 油冷器管路增加脈動衰減裝置驗證

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]來進(jìn)行驗證，觀察油壓脈動的變化。

圖7 管路增加脈動阻尼器

結(jié)果如圖8、圖9 所示：變速箱油壓波動降低70%，飛輪轉(zhuǎn)速以10 Hz～12 Hz 波動的特征完全消除，整車高速行駛時以10 Hz～12 Hz 抖動的現(xiàn)象也完全消除，主觀評價為7分。

圖8 加阻尼器后油壓波動減小

圖9 加阻尼器后座椅振動消除

綜合各方案的可行性分析和實車驗證效果，在油冷器管路中增加阻尼器是最有效的方案。經(jīng)過實車測試此阻尼的增加對油溫影響較小，仍然滿足熱管理的要求。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問題的工程化方案。

4 工程措施

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

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

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

（3）在高壓油管中匹配適當(dāng)?shù)淖枘崞鳌３Ｓ玫挠袛U(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)形式來匹配[5]。

5 結(jié)語

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

（1）本文針對某款CVT車型研發(fā)階段遇到的高速抖動問題，通過主觀識別與客觀測試分析鎖定振動激勵源和傳遞路徑。

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

（3）提出了多種控制自動變速箱油壓脈動的工程化方案，對后續(xù)車型在開發(fā)設(shè)計過程中類似問題的規(guī)避具有重要指導(dǎo)意義。