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

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

中圖分類號(hào)：U463.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）04-0068-04

Abstract： The mechanism of CVTs Lock up and dynamic damper were analyzed firstly. Based on this， one vehicles Lock up STRG vibration was studied， including Lock up transfer path and STRG resonance. The result showed that the excitation of drive shaft and engine mount were the root cause. Considering the difficult for drive shaft and engine mounts tuning， a method of using dynamic damper to control the vibration was proposed. Through optimizing the parameter of dynamic damper， the STRGs vibration was reduced to acceptable level.

Key Words： Dynamic Damper； STRG； Lock up； Vibration Control

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)。

液力變矩器通常由泵輪、導(dǎo)輪、渦輪、鎖止離合器等結(jié)構(gòu)組成。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。

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2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1000～1200rpm是CVT變速箱Lock Up作動(dòng)的常用轉(zhuǎn)速范圍，因此懷疑此問(wèn)題主要是由于CVT的Lock Up導(dǎo)致的。為了鎖定原因，測(cè)試了CVT內(nèi)部控制的CAN信號(hào)，CAN信號(hào)可以直觀的顯示CVT當(dāng)前是否處于LockUp狀態(tài)。結(jié)果表明，方向盤振動(dòng)的峰值位置出現(xiàn)在CVT的LockUp狀態(tài)，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。通過(guò)錘擊法測(cè)量該車方向盤的X向共振數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其共振頻率出現(xiàn)在44Hz附近，與路試問(wèn)題點(diǎn)所在的40Hz頻率不一致。因此判斷方向盤共振不是該問(wèn)題的要因，需考慮從其他方面進(jìn)行調(diào)查。

3.3 傳遞路徑分析

LockUp方向盤振動(dòng)的傳遞路徑如下圖3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)候可以通過(guò)測(cè)試懸架減震器下端的振動(dòng)來(lái)代替。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該車型減震器下端的振動(dòng)也在1175rpm附近達(dá)到峰值，與方向盤振動(dòng)的問(wèn)題轉(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)量分析和計(jì)算。對(duì)于本文提到的車型，下懸置（LWR）的X向激勵(lì)在懸置系中占主要貢獻(xiàn)量。

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)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。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，如圖4所示。其中基座為動(dòng)力吸振器與方向盤的連接件，主要用于安裝固定，對(duì)動(dòng)力吸振器的共振特性影響可以忽略不計(jì)。橡膠為彈性阻尼元件，其彈性的大小影響動(dòng)力吸振器的共振頻率，阻尼則影響動(dòng)力吸振器共振時(shí)的峰值大小。質(zhì)量塊是質(zhì)量元件，質(zhì)量塊的大小與橡膠的彈性共同決定了動(dòng)力吸振器的共振頻率。由于質(zhì)量塊的大小和形狀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)化后動(dòng)力吸振器的共振峰值從44Hz移到了40Hz，峰值大小也提高了6dB。優(yōu)化前后動(dòng)力吸振器的共振特性對(duì)比如圖5所示：

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6所示。另外從方向盤的共振特性數(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，與路試結(jié)果一致。

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。

參考文獻(xiàn)：

[1]王若平，黃杰. 基于LMS的怠速狀態(tài)方向盤振動(dòng)試驗(yàn)研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016， 37（3）：83-87.

[2]幕樂(lè)，周鋐. 基于傳遞路徑分析的怠速工況下轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)路徑識(shí)別及改進(jìn)[J]. 汽車技術(shù)，2011， （4）：15-21.

[3]楊亮，吳行讓，張碩，譚萬(wàn)軍. 汽車怠速方向盤振動(dòng)控制研究[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2011，（05）：80-85.

[4]李勇，顧彥，靳春梅. 汽車動(dòng)力吸振器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2011，31（6）：123-126.

[5]徐猛，張俊紅，何偉舉，李兆文，翟乃斌. 動(dòng)力吸振器在方向盤NVH性能優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（3）：138-141.

[6]沈偉，易斌，陸偉領(lǐng). 動(dòng)力吸振器在降低車內(nèi)路噪中的應(yīng)用[J]. 汽車工程，2010，32（8）：690-718.

[7]潘國(guó)揚(yáng)，石曉輝，郝建軍，郭棟. 新型無(wú)級(jí)變速器（CVT）技術(shù)解析[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）， 2015，29（2）：30-35.

[8]卜國(guó)熊，譚平，周福霖，楊武. 基于能量法的TMD參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），2008，25（2）：26-30.

[9]代林，上官文斌，張少飛. n級(jí)動(dòng)力吸振器的建模及參數(shù)優(yōu)化[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2012，（3）：45-48.