動力吸振器在CVT車型LockUp方向盤振動控制中的應用

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。通過優化動力吸振器參數，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

中圖分類號：U463.46 文獻標識碼：A 文章編號：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錘擊模態分析的方法，研究了怠速狀態下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、結構緊湊等優點[7]。發動機的動力傳遞到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。

液力變矩器通常由泵輪、導輪、渦輪、鎖止離合器等結構組成。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半聯動。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，從軟連接變為硬連接，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上附加一個彈簧質量系統，利用反共振原理將主系統的振動能量全部或者部分轉移到附加的彈簧質量系統上，從而達到對主系統減振的效果。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。

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現，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2所示，其橫坐標為發動機轉速，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1000～1200rpm是CVT變速箱Lock Up作動的常用轉速范圍，因此懷疑此問題主要是由于CVT的Lock Up導致的。為了鎖定原因，測試了CVT內部控制的CAN信號，CAN信號可以直觀的顯示CVT當前是否處于LockUp狀態。結果表明，方向盤振動的峰值位置出現在CVT的LockUp狀態，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。通過錘擊法測量該車方向盤的X向共振數據，發現其共振頻率出現在44Hz附近，與路試問題點所在的40Hz頻率不一致。因此判斷方向盤共振不是該問題的要因，需考慮從其他方面進行調查。

3.3 傳遞路徑分析

LockUp方向盤振動的傳遞路徑如下圖3所示。發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，這時候可以通過測試懸架減震器下端的振動來代替。實測結果表明，該車型減震器下端的振動也在1175rpm附近達到峰值，與方向盤振動的問題轉速一致。

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，可以根據懸置的Bush特性及懸置支架到方向盤的振動傳遞函數進行貢獻量分析和計算。對于本文提到的車型，下懸置（LWR）的X向激勵在懸置系中占主要貢獻量。

3.4 方向盤動力吸振器

從前面的分析可知，方向盤沒有發生共振。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。動力吸振器的結構也通常采用基座-橡膠-質量塊的形式，如圖4所示。其中基座為動力吸振器與方向盤的連接件，主要用于安裝固定，對動力吸振器的共振特性影響可以忽略不計。橡膠為彈性阻尼元件，其彈性的大小影響動力吸振器的共振頻率，阻尼則影響動力吸振器共振時的峰值大小。質量塊是質量元件，質量塊的大小與橡膠的彈性共同決定了動力吸振器的共振頻率。由于質量塊的大小和形狀受到安裝空間的限制，在進行動力吸振器參數調整時更多的是對橡膠特性進行調整。

根據方向盤的共振結果，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，需要進行優化。首先考慮優化的是頻率。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。其次需要優化的是阻尼。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。優化后動力吸振器的共振峰值從44Hz移到了40Hz，峰值大小也提高了6dB。優化前后動力吸振器的共振特性對比如圖5所示：

換裝優化后的動力吸振器，實車評價發現方向盤的振動改善很明顯，達到了OK水平，如圖6所示。另外從方向盤的共振特性數據也能看出，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，與路試結果一致。

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數據、共振數據等分析方法，可以作為解決類似工程問題的參考。

參考文獻：

[1]王若平，黃杰. 基于LMS的怠速狀態方向盤振動試驗研究[J]. 鄭州大學學報（工學版），2016， 37（3）：83-87.

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

[3]楊亮，吳行讓，張碩，譚萬軍. 汽車怠速方向盤振動控制研究[J]. 噪聲與振動控制，2011，（05）：80-85.

[4]李勇，顧彥，靳春梅. 汽車動力吸振器優化設計[J]. 噪聲與振動控制，2011，31（6）：123-126.

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

[6]沈偉，易斌，陸偉領. 動力吸振器在降低車內路噪中的應用[J]. 汽車工程，2010，32（8）：690-718.

[7]潘國揚，石曉輝，郝建軍，郭棟. 新型無級變速器（CVT）技術解析[J]. 重慶理工大學學報（自然科學）， 2015，29（2）：30-35.

[8]卜國熊，譚平，周福霖，楊武. 基于能量法的TMD參數優化設計[J]. 華中科技大學學報（城市科學版），2008，25（2）：26-30.

[9]代林，上官文斌，張少飛. n級動力吸振器的建模及參數優化[J]. 噪聲與振動控制，2012，（3）：45-48.