柴油車起步抖動測試及優(yōu)化方案評估

趙瓊

江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001

0 引言

隨著國家排放及油耗法規(guī)實施，商用車發(fā)動機FIE系統(tǒng)硬件及控制策略迭代升級，各工況發(fā)動機的振動噪聲越來越好，客戶對車輛駕駛舒適性的要求也越來越高。在目前城市道路擁堵情況下，車輛起步舒適性是客戶滿意度的重要影響因素，需要在開發(fā)過程中既要滿足整車空載及滿載起步動力又要滿足客戶舒適性要求。目前商用車的存量市場形勢也驅(qū)動各整車廠優(yōu)先控制成本，由此成本可控功能滿足的起步抖動問題優(yōu)化措施勢在必行。

針對起步抖動問題的研究不少，朱鵬等[1]從整車角度出發(fā)，基于Simulink建立整車的動力學(xué)模型，模型仿真與實車試驗誤差在8%以內(nèi);上官文斌等[2]研究了離合器的滑摩模型，建立了離合器接合過程中的摩擦力矩的計算模型,并認(rèn)為從動盤扭轉(zhuǎn)剛度和波形片軸向剛度是影響起步抖動的主要因素；李明等[3]從飛輪與離合器從動盤摩擦副的溫度場研究飛輪粗糙度對起步抖動的影響。由此可見，從細節(jié)出發(fā)對引起起步抖動的子零件的研究已經(jīng)比較成熟，但從系統(tǒng)角度解決起步抖動問題的研究不多。起步抖動的本質(zhì)是整車系統(tǒng)因自激勵產(chǎn)生的車輛前進方向的振動。本文將從系統(tǒng)入手，通過改變系統(tǒng)(整車)的激勵頻率，達到避開系統(tǒng)共振頻率區(qū)間、減弱起步抖動振幅的目的，提高駕駛舒適性和產(chǎn)品競爭力。

1 車輛起步抖動產(chǎn)生的機制

手動擋車輛起步抖動是指在松離合踏板的過程中，駕駛者能夠感受到明顯的車輛前后竄動。產(chǎn)生的機制為：手動擋車輛起步過程中，慢松離合踏板發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動(柴油發(fā)動機怠速PID控制策略隨負(fù)載不同自動噴油維持怠速平衡)通過離合器的減震結(jié)構(gòu)過濾后傳遞給變速箱，由于柴油發(fā)動機的扭振大及傳遞路徑各零部件的幾何偏差導(dǎo)致離合器壓緊力及作用半徑變化使傳動系統(tǒng)扭矩發(fā)生周期性變化；或離合器從動盤摩擦因數(shù)在滑摩過程中的變化使扭矩呈現(xiàn)周期性變化，從而產(chǎn)生傳動系統(tǒng)共振，如圖1所示。

圖1 起步抖動產(chǎn)生機制

起步抖動產(chǎn)生過程中影響因子眾多，主要有：

(1)發(fā)動機的扭振。發(fā)動機的扭振主要來自于作用在軸系之上的波動的激勵力矩，除此之外還有軸系自身的慣量和彈性變形也會導(dǎo)致扭振。外界的激勵扭矩是發(fā)動機扭振的主要產(chǎn)生原因。內(nèi)燃氣缸空腔內(nèi)氣體壓力變化、運動部件(軸系、輪系)重力和慣性力以及接收功率的部件不能均勻吸收扭矩的激勵都是屬于外界激勵。總的來說，發(fā)動機的扭振是其結(jié)構(gòu)及工作原理導(dǎo)致的必然結(jié)果。

(2)離合器半聯(lián)動過程傳遞力矩波動。半聯(lián)動過程中，受摩擦材料、結(jié)構(gòu)件的幾何偏差影響，離合器傳扭不穩(wěn)定，使發(fā)動機扭振被放大。幾何偏差是必然存在的。

(3)發(fā)動機扭振激勵離合器，導(dǎo)致離合器自激勵產(chǎn)生共振。通常離合器有足夠高的固有頻率，一般不會產(chǎn)生自激勵導(dǎo)致起步抖動。

綜上，傳動系統(tǒng)產(chǎn)生扭振是系統(tǒng)共同產(chǎn)生的，優(yōu)化任何因子都可能優(yōu)化該問題。同樣的，起步抖動并不能完全消除，只能減弱。

2 車輛起步抖動測試和原因分析

本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，分析起步抖動問題。對駕駛者而言，車輛系統(tǒng)的振動通過座椅感知駕駛者。因此，駕駛座椅骨架的振動最能夠直接反映系統(tǒng)的振動情況。以下是車輛起步抖動過程駕駛員座椅導(dǎo)軌處測試的X向振動曲線如圖2所示，傳動系統(tǒng)共振測試曲線如圖3所示。

圖2 駕駛員座椅導(dǎo)軌處測試的X向振動曲線

圖3 傳動系統(tǒng)共振測試曲線

由測試數(shù)據(jù)分析可以看出，座椅導(dǎo)軌振動大的區(qū)域在10～13 Hz低頻區(qū)間，與發(fā)動機的一階共振頻率(其值等于怠速轉(zhuǎn)速除以60)相當(dāng)；傳動系統(tǒng)共振頻率峰值11.4 Hz在座椅導(dǎo)軌振動大區(qū)域，都與發(fā)動機一階共振頻率相當(dāng)，這樣的傳動系統(tǒng)對起步抖動比較敏感。

為深度分析原因，對起步抖動車輛松離合踏板過程進行分解，并同步測試駕駛員座椅導(dǎo)軌X向振動[4]，如圖4所示。

圖4 起步過程緩慢松離合踏板座椅導(dǎo)軌振動測試

從測試數(shù)據(jù)分析，抖動發(fā)生在離合器半聯(lián)動滑摩過程中。對于離合器系統(tǒng)，起步抖動為避免共振頻率與發(fā)動機一階怠速頻率耦合，可以通過對離合系統(tǒng)的幾何偏差進行控制：主要是變速箱與發(fā)動機裝配對中度；飛輪和離合器壓盤的錐度、粗糙度；離合器從動盤減震機構(gòu)的波形片回彈量及從動盤花鍵轂調(diào)心量；離合器安裝螺栓的扭矩及安裝方式；更改抗振動的從動盤摩擦片材料等。傳動系統(tǒng)需要增加傳動軸的剛度避開共振頻率[5]。

3 優(yōu)化方案及相關(guān)驗證

基于離合系統(tǒng)幾何偏差潛在影響因素，總成裝配需要專用工具(三軸或六軸擰緊機)增加投資及裝配線的復(fù)雜度；飛輪、壓盤的錐度和粗糙度只能部分優(yōu)化，且錐度和粗糙度的優(yōu)化需要增加加工工藝帶來成本的上升；波形片回彈量增加太多會影響系統(tǒng)的儲備行程，導(dǎo)致離合器不能完全分離產(chǎn)生燒片風(fēng)險并帶來其他風(fēng)險及售后抱怨；從動盤花鍵轂調(diào)心量一旦定型無法調(diào)整，如果增大調(diào)心量,則與之相連接的其他零部件需要重新進行強度的適配，復(fù)雜度和成本相應(yīng)增加；抗抖動的摩擦材料成本上升同時起步能量會一定程度變大有燒片風(fēng)險。

進一步分析起步抖動過程及測試數(shù)據(jù)，在波形片回彈量范圍不變情況下，把低載面壓值增大優(yōu)化離合器滑摩過程中的抖動,但又會惡化踏板力同時分離結(jié)合點左移，需要整體評估離合器踏板屬性是否滿足要求及做相應(yīng)的系統(tǒng)變更適配。

基于以上傳動系統(tǒng)優(yōu)化方案局限性及風(fēng)險和起步振動產(chǎn)生的機制，對起步過程不同負(fù)荷怠速轉(zhuǎn)速進行掃頻同步測試駕駛員座椅導(dǎo)軌X向振動，識別并確認(rèn)振動幅度最大轉(zhuǎn)速區(qū)間。通過標(biāo)定策略優(yōu)化在起步過程中提升發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速避開與傳動系統(tǒng)的一階共振。

標(biāo)定策略描述如下：①車輛預(yù)起步判斷。ECU對離合器踏板的位置狀態(tài)、油門踏板開度以及車速大小進行判斷，當(dāng)離合器踏板開關(guān)處于觸發(fā)狀態(tài)且車速小于設(shè)定車速并油門踏板開度為0時判斷車輛進入預(yù)起步狀態(tài)。②提升發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速。當(dāng)車輛進入預(yù)起步狀態(tài)時，在一定時間內(nèi)完成發(fā)動機怠速提升，使得發(fā)動機扭矩增大，離合器結(jié)合時就會得到更多的扭矩，同時避開發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速的一階頻率與傳統(tǒng)系統(tǒng)共振頻率的耦合，車輛就不會出現(xiàn)抖動的問題。當(dāng)離合器踏板開關(guān)從觸發(fā)狀態(tài)變?yōu)榉怯|發(fā)狀態(tài)，自動退出起步模式，發(fā)動機轉(zhuǎn)速回復(fù)為ECU設(shè)定轉(zhuǎn)速，此方案能有效解決起步抖動問題[6]。

起步發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速提升邏輯框圖如圖5所示。

圖5 起步發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速提升邏輯框圖

不同怠速轉(zhuǎn)速下車輛起步時車座椅導(dǎo)軌振動變化曲線如圖6所示。由圖可知，原狀態(tài)怠速轉(zhuǎn)速為680 r/min時，起步抖動最為明顯;當(dāng)轉(zhuǎn)速升高或降低時，車內(nèi)振動會有所降低。綜上，當(dāng)車輛起步時，在特定條件下提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，其座椅導(dǎo)軌的振動得到了很大改善，擴大樣本量進行實車主觀駕評起步抖動問題優(yōu)化明顯。

圖6 不同怠速轉(zhuǎn)速下車輛起步時車座椅導(dǎo)軌振動變化曲線

4 結(jié)束語

本文基于柴油車起步抖動產(chǎn)生的機制、影響因素和數(shù)據(jù)測試分析及優(yōu)化方案的驗證可以指導(dǎo)不同車輛同工況下抖動問題的解決，實施后一致性評價很好且成本最低，對不同車型的駕駛舒適性提升具有非常重要的參考意義，目前已在各車型上應(yīng)用[7]。