全地形車CVT 加速工況異響問題試驗(yàn)研究

朱長欽 程相克 楊 陳 李 恒

（浙江春風(fēng)動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心 浙江 杭州 311199）

引言

NVH 性能已成為汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵性能之一，在全地形車（All Terrain Vehicle，ATV）領(lǐng)域，NVH 問題日漸成為開發(fā)人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

無級(jí)變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）已廣泛應(yīng)用于ATV 領(lǐng)域，根據(jù)傳動(dòng)帶的材料不同，無級(jí)變速器主要有鋼帶傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)[1]、皮帶傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)[2]。由于鋼制傳動(dòng)帶在工作過程中會(huì)對(duì)主從動(dòng)輪盤面產(chǎn)生較大的損傷，且綜合成本較高、不利于車輛輕量化，因此，目前ATV 領(lǐng)域通常將皮帶傳動(dòng)式CVT 作為主流變速器[3]。但皮帶傳動(dòng)式CVT 存在較為普遍的皮帶斷裂問題，主要是由于橡膠受熱屈服以及極限工況下皮帶力/轉(zhuǎn)矩較大所致[4-5]。另外，皮帶傳動(dòng)式CVT 在工作過程中會(huì)產(chǎn)生NVH 問題，主要表現(xiàn)為嘯叫異響。目前，僅有少量文獻(xiàn)針對(duì)CVT動(dòng)力學(xué)及相應(yīng)的齒輪嚙合噪聲展開了研究[6]，尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)CVT 噪聲異響問題，尤其是皮帶結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的影響進(jìn)行研究。

本文以國內(nèi)某自主開發(fā)的ATV 車型為研究對(duì)象，研究ATV 搭載CVT 在工作過程中，尤其是接合階段產(chǎn)生的嘯叫異響問題，通過試驗(yàn)探究其噪聲產(chǎn)生機(jī)理，并提出相應(yīng)的解決方案，以提高整車的NVH 性能及駕乘舒適性。

1 CVT 模型

本文研究對(duì)象所搭載的CVT 為皮帶傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)，主要由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪以及傳動(dòng)皮帶組成，如圖1所示。

圖1 某全地形車CVT 模型示意圖

主動(dòng)輪的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，通過花鍵連接，曲軸的周期性旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過皮帶將力/力矩傳遞至從動(dòng)輪，帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，最終通過各級(jí)齒輪系驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)/后退。圖1 中，皮帶與主從動(dòng)輪盤面接觸，分別定義盤面夾角為γ，皮帶夾角為α，本文研究中，α=γ。

2 加速工況異響問題

2.1 噪聲試驗(yàn)

經(jīng)試乘試駕發(fā)現(xiàn)，該ATV 車在加速工況存在突出的嘯叫異響，初步排查，噪聲源為CVT，產(chǎn)生的嘯叫異響源自CVT 進(jìn)氣管口產(chǎn)生的輻射噪聲?？紤]到整車正常加速行駛過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集一致性不易于控制，同時(shí)盡可能降低路噪、風(fēng)噪以及其它噪聲的干擾，試驗(yàn)于室外空曠場地進(jìn)行，采集定置狀態(tài)下的加速工況噪聲特性用于診斷分析。整車/發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 整車/發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，測點(diǎn)分別布置在駕駛員右耳旁和CVT進(jìn)氣管口，如圖2 所示。測試CVT 進(jìn)氣管口輻射噪聲的傳聲器置于CVT 進(jìn)氣管口10 cm 處，與CVT 進(jìn)氣管口的法向軸線成45°角；測試駕駛員右耳旁噪聲的傳聲器通過硅脂膠帶固定于主駕駛員頭枕右側(cè)。為避免氣流對(duì)傳聲器壓電薄膜產(chǎn)生影響，2 個(gè)測點(diǎn)的傳聲器均用防風(fēng)罩包裹。采樣頻率設(shè)置為51 200 Hz，傳聲器頻率分辨率設(shè)置為2 Hz，滿足噪聲測試需求。

圖2 試驗(yàn)測點(diǎn)傳聲器布置

2.2 結(jié)果分析

圖3 為整車定置狀態(tài)下加速工況各測點(diǎn)的噪聲頻譜。

圖3 定置狀態(tài)下加速工況各測點(diǎn)噪聲頻譜

通過CVT 進(jìn)氣管口與駕駛員右耳旁噪聲頻譜的對(duì)比分析可知，主要存在以下3 種噪聲：

1）CVT 接合階段噪聲；

2）CVT 接合后窄頻帶噪聲；

3）CVT 接合后寬頻帶噪聲。

詳見圖3 中的圖框。

在CVT 接合，皮帶與從動(dòng)輪開始接合并傳遞動(dòng)力時(shí)，主要表現(xiàn)為700～900 Hz 的窄頻帶噪聲，并能顯著傳遞至耳旁，嚴(yán)重影響駕乘舒適性。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，表現(xiàn)為700～1 000 Hz 的窄頻帶噪聲，能較明顯表現(xiàn)出耳旁噪聲頻譜，但主觀評(píng)價(jià)該噪聲相對(duì)較弱，非主要異響噪聲。1 000～2 200 Hz 的寬頻帶噪聲對(duì)耳旁噪聲頻譜的貢獻(xiàn)可以忽略，駕乘人員幾乎無法感知該噪聲。

綜上分析推斷，CVT 接合階段的700～900 Hz 噪聲（對(duì)應(yīng)于圖3 中8～10 s 的噪聲）為CVT 加速工況嘯叫異響的主要噪聲源，也是后期開展NVH 性能優(yōu)化的核心目標(biāo)。

3 噪聲識(shí)別與消除方案優(yōu)化

3.1 噪聲排查方案

為了進(jìn)一步診斷與識(shí)別CVT 700～900 Hz 的噪聲源及其噪聲產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的排查方案。先后設(shè)計(jì)了3 種排查方案：去除主動(dòng)輪風(fēng)扇葉片、更改皮帶夾角為A°、皮帶齒數(shù)減半（間隔去除皮帶齒形），用于快速驗(yàn)證與識(shí)別噪聲源，如表2 所示。

表2 CVT 噪聲排查方案

3.2 加速工況異響識(shí)別

圖4 所示為整車定置狀態(tài)下加速工況各噪聲排查方案CVT 進(jìn)氣管口噪聲頻譜。

1）Case 1#：去除主動(dòng)輪風(fēng)扇葉片。從圖4b 可以看出，CVT 接合后，發(fā)動(dòng)機(jī)中高速工況的700～1 000 Hz窄頻帶噪聲消失。因此，可推斷該噪聲主要是主動(dòng)輪風(fēng)扇葉片切割空氣而產(chǎn)生，后期可通過優(yōu)化風(fēng)扇葉片型線及分布進(jìn)行噪聲控制。而CVT 接合階段的700～900 Hz 窄頻帶噪聲仍然顯著存在，主觀評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況，中低轉(zhuǎn)速區(qū)域異響無明顯變化，不可接受。

圖4 定置狀態(tài)下加速工況各噪聲排查方案CVT進(jìn)氣管口噪聲譜

2）Case 2#：更改皮帶夾角為A°。從圖4c 可以看出，CVT 接合階段的700～900 Hz 窄頻帶噪聲完全消失，且CVT 接合后寬頻帶噪聲也明顯減弱，主觀評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況，中低轉(zhuǎn)速區(qū)域嘯叫異響消失，整車噪聲特性明顯優(yōu)于原狀態(tài)，可接受。由此可推斷，皮帶夾角與CVT 嘯叫異響具有較強(qiáng)的相關(guān)性，有待進(jìn)一步驗(yàn)證其對(duì)動(dòng)力性、駕駛性能的影響。

3）Case 3#：皮帶齒數(shù)減半。從圖4d 可以看出，各噪聲均升高，尤其體現(xiàn)在CVT 接合區(qū)域700～2 200 Hz寬頻帶、700～900 Hz 窄頻帶嘯叫異響加大，整體噪聲能量增大。原因是齒數(shù)減半引起CVT 系統(tǒng)整體工作不穩(wěn)定，噪聲升高，不可接受。

根據(jù)上述3 種排查方案的試驗(yàn)結(jié)果，方案Case 2#降低噪聲的效果最好。表明皮帶夾角與CVT 嘯叫異響具有較強(qiáng)的相關(guān)性，主要影響700～900 Hz 窄頻帶噪聲，后期需針對(duì)性地對(duì)皮帶夾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足傳動(dòng)皮帶工程量產(chǎn)要求。

3.3 CVT 異響消除方案優(yōu)化

優(yōu)化傳動(dòng)皮帶夾角后，進(jìn)行工程量產(chǎn)前，需經(jīng)過動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度、耐久等可靠性驗(yàn)證。因此，首先進(jìn)一步優(yōu)化皮帶夾角，更改皮帶夾角分別為B°、C°，然后綜合驗(yàn)證NVH 性能、耐久性等。優(yōu)化方案如表3 所示。

表3 皮帶夾角優(yōu)化方案

圖5 所示為整車定置狀態(tài)下加速工況皮帶夾角分別為B°、C°的CVT 進(jìn)氣管口噪聲譜。

圖5 定置狀態(tài)下加速工況各皮帶夾角優(yōu)化方案CVT進(jìn)氣管口噪聲譜

從圖5 可以看出，2 種優(yōu)化方案下，CVT 接合階段的700～900 Hz 窄頻帶嘯叫異響均完全消失，且CVT 接合后寬頻帶噪聲也明顯減弱。Case2-2#方案，CVT 接合后寬頻帶噪聲幾乎完全消失。主觀評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況，中低轉(zhuǎn)速區(qū)域嘯叫異響消失，整車噪聲特性良好，可接受。此外，通過試驗(yàn)得知，2 種優(yōu)化方案，整機(jī)最大功率、轉(zhuǎn)矩變化均控制在2%以內(nèi)，動(dòng)力性基本無影響；通過整車駕駛耐久性試驗(yàn)得知，2種優(yōu)化方案對(duì)駕駛性能的影響甚微。綜合考慮制造、工藝要求、成本控制以及零部件穩(wěn)定性等因素，最終確定以Case 2-2#：皮帶夾角C°進(jìn)行工程量產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）皮帶傳動(dòng)式CVT 系統(tǒng)在工作過程中易于產(chǎn)生嘯叫異響噪聲，影響整車聲品質(zhì)及駕乘舒適性。

2）皮帶傳動(dòng)式CVT 的皮帶夾角直接影響CVT運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲特性，尤其表現(xiàn)在CVT 接合階段嘯叫異響。

3）通過優(yōu)化皮帶夾角至C°，CVT 進(jìn)氣管口的700～900 Hz 窄頻帶噪聲得到有效抑制，且滿足整車耐久性、駕駛性能要求。

4）主動(dòng)輪風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)與CVT 接合后700～1 000 Hz 的窄頻帶噪聲相關(guān)，但具體的葉片設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步深入研究。