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動(dòng)力吸振器在CVT車型LockUp時(shí)的方向盤振動(dòng)控制中的應(yīng)用

2021-11-22 09:36:45·  來(lái)源：汽車NVH云講堂  
　
[摘要]在介紹CVT車型LockUp工作原理和動(dòng)力吸振器工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)某款車型的LockUp方向盤振動(dòng)問(wèn)題，分別對(duì)LockUp傳遞路徑和方向盤共振特性進(jìn)行了分析。結(jié)
[摘要]在介紹CVT車型LockUp工作原理和動(dòng)力吸振器工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)某款車型的LockUp方向盤振動(dòng)問(wèn)題，分別對(duì)LockUp傳遞路徑和方向盤共振特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)軸和懸置入力是產(chǎn)生此問(wèn)題的主要原因。但是考慮到驅(qū)動(dòng)軸和懸置系統(tǒng)改動(dòng)難度大的問(wèn)題，提出了采用動(dòng)力吸振器進(jìn)行方向盤振動(dòng)控制的方法。通過(guò)優(yōu)化動(dòng)力吸振器參數(shù)，成功使得方向盤的振動(dòng)減小到了可接受的范圍。
關(guān)鍵詞：動(dòng)力吸振器；方向盤；Lock Up；振動(dòng)控制
前言
隨著汽車的普及，人們對(duì)汽車NVH的重視程度日趨增高。汽車振動(dòng)大小是影響人們對(duì)NVH性能滿意程度的重要因素。汽車振動(dòng)主要包括方向盤振動(dòng)、座椅振動(dòng)、地板振動(dòng)等方面，其中方向盤的振動(dòng)最易于為顧客所感知，因此方向盤的振動(dòng)控制一直是大家研究的重點(diǎn)之一。王若平[1]等采用LMS錘擊模態(tài)分析的方法，研究了怠速狀態(tài)下CFM模塊對(duì)方向盤振動(dòng)的影響。幕樂(lè)[2]等建立了方向盤怠速振動(dòng)的傳遞路徑分析模型，找出了關(guān)鍵路徑并進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的減振效果。楊亮[3]等分析了怠速方向盤振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，并采用實(shí)驗(yàn)方法確定了主要傳遞路徑，最終通過(guò)改善傳動(dòng)軸振動(dòng)傳遞特性和提高轉(zhuǎn)向柱剛性的方式解決了某車型怠速方向盤振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。
上述減小起振力和改善傳遞路徑的方式是我們解決方向盤振動(dòng)問(wèn)題的常用手段。但是當(dāng)激勵(lì)和路徑改善難度較大時(shí)，通過(guò)在方向盤上加動(dòng)力吸振器則是另外一種有效途徑。關(guān)于動(dòng)力吸振器的研究已經(jīng)有很多論述，包括理論研究方面和工程應(yīng)用方面[4~6]，但是在方向盤上的應(yīng)用研究還不多。本文將針對(duì)某CVT車型的Lock/Up方向盤振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，分別對(duì)Lock/Up工況方向盤振動(dòng)原理、傳遞路徑進(jìn)行分析，并結(jié)合方向盤的特性對(duì)動(dòng)力吸振器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，匹配良好的動(dòng)力吸振器可以顯著改善方向盤的振動(dòng)水平。
1 CVT 車型 Lock Up 原理
CVT是目前乘用車常用的自動(dòng)變速箱之一，具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、乘坐舒適性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到CVT時(shí)首先要經(jīng)過(guò)液力變矩器，Lock Up是液力變矩器的一個(gè)工作狀態(tài)。液力變矩器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在車輛起步或者低速行駛時(shí)，動(dòng)力傳輸是通過(guò)泵輪轉(zhuǎn)動(dòng)油液，油液在導(dǎo)輪的引導(dǎo)下沖擊渦輪，帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，代替離合器的作用實(shí)現(xiàn)半聯(lián)動(dòng)。當(dāng)車速較高時(shí)，通過(guò)油液傳遞動(dòng)力的方式效率太低，這時(shí)候液力變矩器內(nèi)部的鎖止離合器就會(huì)作動(dòng)，鎖止泵輪和渦輪，從軟連接變?yōu)橛策B接，這個(gè)過(guò)程俗稱Lock Up。

液力變矩器在Lock Up作動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的沖擊和扭矩波動(dòng)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸傳遞到懸架，進(jìn)而影響車內(nèi)的噪音和振動(dòng)。如果此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置隔振不好，或者扭矩波動(dòng)引起車身某個(gè)部件共振，往往會(huì)出現(xiàn)轟鳴音問(wèn)題或者方向盤振動(dòng)問(wèn)題。Lock Up之后的方向盤振動(dòng)問(wèn)題即是本文的研究對(duì)象。
2 動(dòng)力吸振器
動(dòng)力吸振器是通過(guò)在主系統(tǒng)上附加一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，利用反共振原理將主系統(tǒng)的振動(dòng)能量全部或者部分轉(zhuǎn)移到附加的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)上，從而達(dá)到對(duì)主系統(tǒng)減振的效果。動(dòng)力吸振器的結(jié)構(gòu)有很多種形式，可以是單自由度的也可以是多自由度的。對(duì)于本文涉及到的汽車方向盤上的動(dòng)力吸振器，通常是單自由度的。
對(duì)于單自由度的動(dòng)力吸振器，其力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為如圖2所示，ms代表主系統(tǒng)，md代表動(dòng)力吸振器。其動(dòng)力學(xué)方程可以描述為式(1)

其中[M]、[C]、[K]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，
分別是加速度、速度和位移向量，F(xiàn)(t)是外力向量。

系統(tǒng)的復(fù)振幅為

其中
主系統(tǒng)的振幅可以表示為

動(dòng)力吸振器參數(shù)的不同，其對(duì)主系統(tǒng)的減振效果也不一樣。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)動(dòng)力吸振器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，以達(dá)到較好的減振效果，使得主系統(tǒng)的振動(dòng)Bs最小。動(dòng)力吸振器的優(yōu)化可以轉(zhuǎn)換為如下的有約束條件下的最優(yōu)解問(wèn)題

約束條件要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)進(jìn)行綜合考慮，比如空間布局的大小等。最優(yōu)解求解的方法和手段，對(duì)此已有較多論述[8‐9]，本文不作討論。
3 Lock Up 方向盤振動(dòng)控制
3.1 問(wèn)題描述
某CVT車型在主觀評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，起步緩加速到1200rpm附近時(shí)方向盤抖動(dòng)過(guò)大，不能接受。經(jīng)定量測(cè)量，方向盤X向振動(dòng)在1175rpm 達(dá)到了1.0 m/s2，如圖3所示，其橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為方向盤振動(dòng)的幅值。由此可知，該問(wèn)題點(diǎn)的頻率為39~40Hz附近。

由于1200rpm附近通常是CVT變速箱的Lock Up作動(dòng)轉(zhuǎn)速，因此懷疑此問(wèn)題主要是由于CVT的Lock Up作動(dòng)導(dǎo)致的。為了鎖定原因，測(cè)試了CVT的內(nèi)部控制CAN信號(hào)。方向盤振動(dòng)的峰值位置恰好出現(xiàn)在CVT的Lock Up CAN信號(hào)從0變2之后，從而證實(shí)了前面的推測(cè)。
3.2 方向盤共振特性測(cè)試
方向盤共振測(cè)試是分析解決方向盤振動(dòng)問(wèn)題的重要手段，也是方向盤NVH性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一。

該車方向盤的X向共振數(shù)據(jù)如圖5所示，其共振頻率在44Hz附近，與路試問(wèn)題點(diǎn)的40Hz頻率不一致。因此方向盤共振不是該問(wèn)題的要因。

3.3 傳遞路徑分析
LockUp方向盤振動(dòng)的傳遞路徑如下圖所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)分別經(jīng)懸置、驅(qū)動(dòng)系和排氣系傳遞到車體上，最終引起方向盤的振動(dòng)。在這三條路徑中，懸置系與驅(qū)動(dòng)系的影響占主要，排氣系的影響較小。其中，驅(qū)動(dòng)系在Lock Up時(shí)的扭矩波動(dòng)決定了方向盤振動(dòng)峰值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，而懸置系的激勵(lì)水平則在很大程度上影響方向盤振動(dòng)的峰值大小。

直接測(cè)量驅(qū)動(dòng)系的激勵(lì)水平往往是比較困難的，這時(shí)候我們可以通過(guò)測(cè)試懸架減震器下端的振動(dòng)來(lái)代替。該車型減震器下端的振動(dòng)如圖7所示，在1175rpm附近達(dá)到峰值，與方向盤的共振轉(zhuǎn)速一致。

懸置系的激勵(lì)是影響Lock Up的另一大主要路徑，但是不同懸置不同方向的貢獻(xiàn)量也是不一樣的。對(duì)于不同的懸置，可以根據(jù)懸置的Bush特性及懸置支架到方向盤的振動(dòng)傳遞函數(shù)進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析計(jì)算。對(duì)于本文提到的車型，下懸置(LWR)的X向在懸置系中占主要貢獻(xiàn)量，如下圖所示。

3.4 方向盤動(dòng)力吸振器
從前面的分析可知，方向盤沒(méi)有發(fā)生共振。另外從傳遞路徑來(lái)看，驅(qū)動(dòng)系和懸置系是主要的激勵(lì)源。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系的激勵(lì)，可以通過(guò)調(diào)整CVT的控制邏輯來(lái)改善扭矩波動(dòng)情況，也可以改變扭矩波動(dòng)對(duì)應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)速來(lái)改變激勵(lì)頻率。對(duì)于懸置系，可以通過(guò)改變Bush特性來(lái)改善Lock Up時(shí)的激勵(lì)水平。如果在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的早期，可以通過(guò)上述方式來(lái)從根源上控制方向盤的Lock Up振動(dòng)問(wèn)題，否則需要通過(guò)其他途徑來(lái)予以解決。這時(shí)候通過(guò)增加動(dòng)力吸振器來(lái)減小方向盤的振動(dòng)響應(yīng)，就不失為一種有效的對(duì)策手段。
方向盤由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，動(dòng)力吸振器通常只能安裝在安全氣囊背部的空隙里，如圖9所示。動(dòng)力吸振器的結(jié)構(gòu)也通常采用基座‐橡膠‐質(zhì)量塊的形式。由于質(zhì)量塊的大小受到安裝空間的限制，在進(jìn)行動(dòng)力吸振器參數(shù)調(diào)整時(shí)更多的是對(duì)橡膠特性進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)方向盤的共振結(jié)果，我們首先在方向盤上安裝了一個(gè)與其共振頻率相一致的 44Hz動(dòng)力吸振器。實(shí)車評(píng)價(jià)結(jié)果表明，方向盤的振動(dòng)并無(wú)明顯改善。由此可見(jiàn)該動(dòng)力吸振器與方向盤并不匹配，需要進(jìn)行優(yōu)化。首先考慮優(yōu)化的是頻率。44Hz雖然與方向盤的共振頻率相同，但是與路試問(wèn)題點(diǎn)的頻率并不一致，考慮將其調(diào)整到40±1Hz附近，這個(gè)可以通過(guò)加大質(zhì)量塊或者減小橡膠剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次需要優(yōu)化的是阻尼。通過(guò)調(diào)整橡膠的阻尼，加大動(dòng)力吸振器自身的共振峰值，以提高減振效果。優(yōu)化前后的動(dòng)力吸振器如圖10和圖11所示。優(yōu)化后動(dòng)力吸振器的共振峰值從44Hz移到了40Hz，峰值大小提高了6dB。

換裝優(yōu)化后的動(dòng)力吸振器，實(shí)車評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)方向盤的振動(dòng)改善很明顯，達(dá)到了OK水平，如圖12所示。

另外從方向盤的共振數(shù)據(jù)也能看出，加裝動(dòng)力吸振器后方向盤的共振改善明顯，共振峰的幅值減小了5dB以上，如圖13所示。

4 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)汽車Lock Up方向盤振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理、傳遞路徑分析，給出了采用動(dòng)力吸振器進(jìn)行Lock Up方向盤振動(dòng)控制的基本方法和思路。結(jié)果表明，匹配良好的動(dòng)力吸振器對(duì)方向盤的振動(dòng)具有很好的抑制作用。文中采用的CAN數(shù)據(jù)、共振數(shù)據(jù)等分析方法，可以作為解決類似工程問(wèn)題的參考。
作者：張少飛
作者單位：東風(fēng)日產(chǎn)技術(shù)中心, 廣州, 510800
來(lái)源：2017汽車NVH控制技術(shù)研討會(huì)論文集
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