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动力吸振器在CVT车型LockUp时的方向盘振动控制中的应用
2021-11-22 09:36:45· 来源：汽车NVH云讲堂
[摘要]在介绍CVT车型LockUp工作原理和动力吸振器工作原理的基础上，针对某款车型的LockUp方向盘振动问题，分别对LockUp传递路径和方向盘共振特性进行了分析。结
[摘要]在介绍CVT车型LockUp工作原理和动力吸振器工作原理的基础上，针对某款车型的LockUp方向盘振动问题，分别对LockUp传递路径和方向盘共振特性进行了分析。结果表明，驱动轴和悬置入力是产生此问题的主要原因。但是考虑到驱动轴和悬置系统改动难度大的问题，提出了采用动力吸振器进行方向盘振动控制的方法。通过优化动力吸振器参数，成功使得方向盘的振动减小到了可接受的范围。
关键词：动力吸振器；方向盘；Lock Up；振动控制
前言
随着汽车的普及，人们对汽车NVH的重视程度日趋增高。汽车振动大小是影响人们对NVH性能满意程度的重要因素。汽车振动主要包括方向盘振动、座椅振动、地板振动等方面，其中方向盘的振动最易于为顾客所感知，因此方向盘的振动控制一直是大家研究的重点之一。王若平[1]等采用LMS锤击模态分析的方法，研究了怠速状态下CFM模块对方向盘振动的影响。幕乐[2]等建立了方向盘怠速振动的传递路径分析模型，找出了关键路径并进行了改进，取得了较好的减振效果。杨亮[3]等分析了怠速方向盘振动的产生机理，并采用实验方法确定了主要传递路径，最终通过改善传动轴振动传递特性和提高转向柱刚性的方式解决了某车型怠速方向盘振动过大的问题。
上述减小起振力和改善传递路径的方式是我们解决方向盘振动问题的常用手段。但是当激励和路径改善难度较大时，通过在方向盘上加动力吸振器则是另外一种有效途径。关于动力吸振器的研究已经有很多论述，包括理论研究方面和工程应用方面[4~6]，但是在方向盘上的应用研究还不多。本文将针对某CVT车型的Lock/Up方向盘振动过大问题，分别对Lock/Up工况方向盘振动原理、传递路径进行分析，并结合方向盘的特性对动力吸振器进行了优化设计。结果表明，匹配良好的动力吸振器可以显著改善方向盘的振动水平。
1 CVT 车型 Lock Up 原理
CVT是目前乘用车常用的自动变速箱之一，具有燃油经济性好、乘坐舒适性好、结构紧凑等优点[7]。发动机的动力传递到CVT时首先要经过液力变矩器，Lock Up是液力变矩器的一个工作状态。液力变矩器的结构如图1所示。在车辆起步或者低速行驶时，动力传输是通过泵轮转动油液，油液在导轮的引导下冲击涡轮，带动涡轮旋转，代替离合器的作用实现半联动。当车速较高时，通过油液传递动力的方式效率太低，这时候液力变矩器内部的锁止离合器就会作动，锁止泵轮和涡轮，从软连接变为硬连接，这个过程俗称Lock Up。
液力变矩器在Lock Up作动时，会产生一个明显的冲击和扭矩波动，并通过驱动轴传递到悬架，进而影响车内的噪音和振动。如果此时发动机悬置隔振不好，或者扭矩波动引起车身某个部件共振，往往会出现轰鸣音问题或者方向盘振动问题。Lock Up之后的方向盘振动问题即是本文的研究对象。
2 动力吸振器
动力吸振器是通过在主系统上附加一个弹簧质量系统，利用反共振原理将主系统的振动能量全部或者部分转移到附加的弹簧质量系统上，从而达到对主系统减振的效果。动力吸振器的结构有很多种形式，可以是单自由度的也可以是多自由度的。对于本文涉及到的汽车方向盘上的动力吸振器，通常是单自由度的。
对于单自由度的动力吸振器，其力学模型可以简化为如图2所示，ms代表主系统，md代表动力吸振器。其动力学方程可以描述为式(1)
其中[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，
分别是加速度、速度和位移向量，F(t)是外力向量。
系统的复振幅为
其中
主系统的振幅可以表示为
动力吸振器参数的不同，其对主系统的减振效果也不一样。在实际应用过程中，需要对动力吸振器的参数进行优化匹配，以达到较好的减振效果，使得主系统的振动Bs最小。动力吸振器的优化可以转换为如下的有约束条件下的最优解问题
约束条件要结合实际应用场合来进行综合考虑，比如空间布局的大小等。最优解求解的方法和手段，对此已有较多论述[8‐9]，本文不作讨论。
3 Lock Up 方向盘振动控制
3.1 问题描述
某CVT车型在主观评价时发现，起步缓加速到1200rpm附近时方向盘抖动过大，不能接受。经定量测量，方向盘X向振动在1175rpm 达到了1.0 m/s2，如图3所示，其横坐标为发动机转速，纵坐标为方向盘振动的幅值。由此可知，该问题点的频率为39~40Hz附近。
由于1200rpm附近通常是CVT变速箱的Lock Up作动转速，因此怀疑此问题主要是由于CVT的Lock Up作动导致的。为了锁定原因，测试了CVT的内部控制CAN信号。方向盘振动的峰值位置恰好出现在CVT的Lock Up CAN信号从0变2之后，从而证实了前面的推测。
3.2 方向盘共振特性测试
方向盘共振测试是分析解决方向盘振动问题的重要手段，也是方向盘NVH性能评价的指标之一。
该车方向盘的X向共振数据如图5所示，其共振频率在44Hz附近，与路试问题点的40Hz频率不一致。因此方向盘共振不是该问题的要因。
3.3 传递路径分析
LockUp方向盘振动的传递路径如下图所示。发动机的振动分别经悬置、驱动系和排气系传递到车体上，最终引起方向盘的振动。在这三条路径中，悬置系与驱动系的影响占主要，排气系的影响较小。其中，驱动系在Lock Up时的扭矩波动决定了方向盘振动峰值所对应的转速，而悬置系的激励水平则在很大程度上影响方向盘振动的峰值大小。
直接测量驱动系的激励水平往往是比较困难的，这时候我们可以通过测试悬架减震器下端的振动来代替。该车型减震器下端的振动如图7所示，在1175rpm附近达到峰值，与方向盘的共振转速一致。
悬置系的激励是影响Lock Up的另一大主要路径，但是不同悬置不同方向的贡献量也是不一样的。对于不同的悬置，可以根据悬置的Bush特性及悬置支架到方向盘的振动传递函数进行贡献量分析计算。对于本文提到的车型，下悬置(LWR)的X向在悬置系中占主要贡献量，如下图所示。
3.4 方向盘动力吸振器
从前面的分析可知，方向盘没有发生共振。另外从传递路径来看，驱动系和悬置系是主要的激励源。对于驱动系的激励，可以通过调整CVT的控制逻辑来改善扭矩波动情况，也可以改变扭矩波动对应的峰值转速来改变激励频率。对于悬置系，可以通过改变Bush特性来改善Lock Up时的激励水平。如果在项目开发的早期，可以通过上述方式来从根源上控制方向盘的Lock Up振动问题，否则需要通过其他途径来予以解决。这时候通过增加动力吸振器来减小方向盘的振动响应，就不失为一种有效的对策手段。
方向盘由于其结构的特殊性，动力吸振器通常只能安装在安全气囊背部的空隙里，如图9所示。动力吸振器的结构也通常采用基座‐橡胶‐质量块的形式。由于质量块的大小受到安装空间的限制，在进行动力吸振器参数调整时更多的是对橡胶特性进行调整。
根据方向盘的共振结果，我们首先在方向盘上安装了一个与其共振频率相一致的 44Hz动力吸振器。实车评价结果表明，方向盘的振动并无明显改善。由此可见该动力吸振器与方向盘并不匹配，需要进行优化。首先考虑优化的是频率。44Hz虽然与方向盘的共振频率相同，但是与路试问题点的频率并不一致，考虑将其调整到40±1Hz附近，这个可以通过加大质量块或者减小橡胶刚度来实现。其次需要优化的是阻尼。通过调整橡胶的阻尼，加大动力吸振器自身的共振峰值，以提高减振效果。优化前后的动力吸振器如图10和图11所示。优化后动力吸振器的共振峰值从44Hz移到了40Hz，峰值大小提高了6dB。
换装优化后的动力吸振器，实车评价发现方向盘的振动改善很明显，达到了OK水平，如图12所示。
另外从方向盘的共振数据也能看出，加装动力吸振器后方向盘的共振改善明显，共振峰的幅值减小了5dB以上，如图13所示。
4 结语
本文通过对汽车Lock Up方向盘振动的产生机理、传递路径分析，给出了采用动力吸振器进行Lock Up方向盘振动控制的基本方法和思路。结果表明，匹配良好的动力吸振器对方向盘的振动具有很好的抑制作用。文中采用的CAN数据、共振数据等分析方法，可以作为解决类似工程问题的参考。
作者：张少飞
作者单位：东风日产技术中心, 广州, 510800
来源：2017汽车NVH控制技术研讨会论文集
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