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動力吸振器在CVT車型LockUp時的方向盤振動控制中的應用

2021-11-22 09:36:45·  來源：汽車NVH云講堂  
　
[摘要]在介紹CVT車型LockUp工作原理和動力吸振器工作原理的基礎上，針對某款車型的LockUp方向盤振動問題，分別對LockUp傳遞路徑和方向盤共振特性進行了分析。結
[摘要]在介紹CVT車型LockUp工作原理和動力吸振器工作原理的基礎上，針對某款車型的LockUp方向盤振動問題，分別對LockUp傳遞路徑和方向盤共振特性進行了分析。結果表明，驅動軸和懸置入力是產生此問題的主要原因。但是考慮到驅動軸和懸置系統(tǒng)改動難度大的問題，提出了采用動力吸振器進行方向盤振動控制的方法。通過優(yōu)化動力吸振器參數(shù)，成功使得方向盤的振動減小到了可接受的范圍。
關鍵詞：動力吸振器；方向盤；Lock Up；振動控制
前言
隨著汽車的普及，人們對汽車NVH的重視程度日趨增高。汽車振動大小是影響人們對NVH性能滿意程度的重要因素。汽車振動主要包括方向盤振動、座椅振動、地板振動等方面，其中方向盤的振動最易于為顧客所感知，因此方向盤的振動控制一直是大家研究的重點之一。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模塊對方向盤振動的影響。幕樂[2]等建立了方向盤怠速振動的傳遞路徑分析模型，找出了關鍵路徑并進行了改進，取得了較好的減振效果。楊亮[3]等分析了怠速方向盤振動的產生機理，并采用實驗方法確定了主要傳遞路徑，最終通過改善傳動軸振動傳遞特性和提高轉向柱剛性的方式解決了某車型怠速方向盤振動過大的問題。
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問題的常用手段。但是當激勵和路徑改善難度較大時，通過在方向盤上加動力吸振器則是另外一種有效途徑。關于動力吸振器的研究已經有很多論述，包括理論研究方面和工程應用方面[4~6]，但是在方向盤上的應用研究還不多。本文將針對某CVT車型的Lock/Up方向盤振動過大問題，分別對Lock/Up工況方向盤振動原理、傳遞路徑進行分析，并結合方向盤的特性對動力吸振器進行了優(yōu)化設計。結果表明，匹配良好的動力吸振器可以顯著改善方向盤的振動水平。
1 CVT 車型 Lock Up 原理
CVT是目前乘用車常用的自動變速箱之一，具有燃油經濟性好、乘坐舒適性好、結構緊湊等優(yōu)點[7]。發(fā)動機的動力傳遞到CVT時首先要經過液力變矩器，Lock Up是液力變矩器的一個工作狀態(tài)。液力變矩器的結構如圖1所示。在車輛起步或者低速行駛時，動力傳輸是通過泵輪轉動油液，油液在導輪的引導下沖擊渦輪，帶動渦輪旋轉，代替離合器的作用實現(xiàn)半聯(lián)動。當車速較高時，通過油液傳遞動力的方式效率太低，這時候液力變矩器內部的鎖止離合器就會作動，鎖止泵輪和渦輪，從軟連接變?yōu)橛策B接，這個過程俗稱Lock Up。

液力變矩器在Lock Up作動時，會產生一個明顯的沖擊和扭矩波動，并通過驅動軸傳遞到懸架，進而影響車內的噪音和振動。如果此時發(fā)動機懸置隔振不好，或者扭矩波動引起車身某個部件共振，往往會出現(xiàn)轟鳴音問題或者方向盤振動問題。Lock Up之后的方向盤振動問題即是本文的研究對象。
2 動力吸振器
動力吸振器是通過在主系統(tǒng)上附加一個彈簧質量系統(tǒng)，利用反共振原理將主系統(tǒng)的振動能量全部或者部分轉移到附加的彈簧質量系統(tǒng)上，從而達到對主系統(tǒng)減振的效果。動力吸振器的結構有很多種形式，可以是單自由度的也可以是多自由度的。對于本文涉及到的汽車方向盤上的動力吸振器，通常是單自由度的。
對于單自由度的動力吸振器，其力學模型可以簡化為如圖2所示，ms代表主系統(tǒng)，md代表動力吸振器。其動力學方程可以描述為式(1)

其中[M]、[C]、[K]分別為質量矩陣、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)的復振幅為

其中
主系統(tǒng)的振幅可以表示為

動力吸振器參數(shù)的不同，其對主系統(tǒng)的減振效果也不一樣。在實際應用過程中，需要對動力吸振器的參數(shù)進行優(yōu)化匹配，以達到較好的減振效果，使得主系統(tǒng)的振動Bs最小。動力吸振器的優(yōu)化可以轉換為如下的有約束條件下的最優(yōu)解問題

約束條件要結合實際應用場合來進行綜合考慮，比如空間布局的大小等。最優(yōu)解求解的方法和手段，對此已有較多論述[8‐9]，本文不作討論。
3 Lock Up 方向盤振動控制
3.1 問題描述
某CVT車型在主觀評價時發(fā)現(xiàn)，起步緩加速到1200rpm附近時方向盤抖動過大，不能接受。經定量測量，方向盤X向振動在1175rpm 達到了1.0 m/s2，如圖3所示，其橫坐標為發(fā)動機轉速，縱坐標為方向盤振動的幅值。由此可知，該問題點的頻率為39~40Hz附近。

由于1200rpm附近通常是CVT變速箱的Lock Up作動轉速，因此懷疑此問題主要是由于CVT的Lock Up作動導致的。為了鎖定原因，測試了CVT的內部控制CAN信號。方向盤振動的峰值位置恰好出現(xiàn)在CVT的Lock Up CAN信號從0變2之后，從而證實了前面的推測。
3.2 方向盤共振特性測試
方向盤共振測試是分析解決方向盤振動問題的重要手段，也是方向盤NVH性能評價的指標之一。

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，與路試問題點的40Hz頻率不一致。因此方向盤共振不是該問題的要因。

3.3 傳遞路徑分析
LockUp方向盤振動的傳遞路徑如下圖所示。發(fā)動機的振動分別經懸置、驅動系和排氣系傳遞到車體上，最終引起方向盤的振動。在這三條路徑中，懸置系與驅動系的影響占主要，排氣系的影響較小。其中，驅動系在Lock Up時的扭矩波動決定了方向盤振動峰值所對應的轉速，而懸置系的激勵水平則在很大程度上影響方向盤振動的峰值大小。

直接測量驅動系的激勵水平往往是比較困難的，這時候我們可以通過測試懸架減震器下端的振動來代替。該車型減震器下端的振動如圖7所示，在1175rpm附近達到峰值，與方向盤的共振轉速一致。

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

3.4 方向盤動力吸振器
從前面的分析可知，方向盤沒有發(fā)生共振。另外從傳遞路徑來看，驅動系和懸置系是主要的激勵源。對于驅動系的激勵，可以通過調整CVT的控制邏輯來改善扭矩波動情況，也可以改變扭矩波動對應的峰值轉速來改變激勵頻率。對于懸置系，可以通過改變Bush特性來改善Lock Up時的激勵水平。如果在項目開發(fā)的早期，可以通過上述方式來從根源上控制方向盤的Lock Up振動問題，否則需要通過其他途徑來予以解決。這時候通過增加動力吸振器來減小方向盤的振動響應，就不失為一種有效的對策手段。
方向盤由于其結構的特殊性，動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。動力吸振器的結構也通常采用基座‐橡膠‐質量塊的形式。由于質量塊的大小受到安裝空間的限制，在進行動力吸振器參數(shù)調整時更多的是對橡膠特性進行調整。

根據(jù)方向盤的共振結果，我們首先在方向盤上安裝了一個與其共振頻率相一致的 44Hz動力吸振器。實車評價結果表明，方向盤的振動并無明顯改善。由此可見該動力吸振器與方向盤并不匹配，需要進行優(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，但是與路試問題點的頻率并不一致，考慮將其調整到40±1Hz附近，這個可以通過加大質量塊或者減小橡膠剛度來實現(xiàn)。其次需要優(yōu)化的是阻尼。通過調整橡膠的阻尼，加大動力吸振器自身的共振峰值，以提高減振效果。優(yōu)化前后的動力吸振器如圖10和圖11所示。優(yōu)化后動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)化后的動力吸振器，實車評價發(fā)現(xiàn)方向盤的振動改善很明顯，達到了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 結語
本文通過對汽車Lock Up方向盤振動的產生機理、傳遞路徑分析，給出了采用動力吸振器進行Lock Up方向盤振動控制的基本方法和思路。結果表明，匹配良好的動力吸振器對方向盤的振動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題的參考。
作者：張少飛
作者單位：東風日產技術中心, 廣州, 510800
來源：2017汽車NVH控制技術研討會論文集
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