柴油車起步抖動測試及優化方案評估

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實施，商用車發動機FIE系統硬件及控制策略迭代升級，各工況發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動各整車廠優先控制成本，由此成本可控功能滿足的起步抖動問題優化措施勢在必行。

針對起步抖動問題的研究不少，朱鵬等[1]從整車角度出發，基于Simulink建立整車的動力學模型，模型仿真與實車試驗誤差在8%以內;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,并認為從動盤扭轉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，從細節出發對引起起步抖動的子零件的研究已經比較成熟，但從系統角度解決起步抖動問題的研究不多。起步抖動的本質是整車系統因自激勵產生的車輛前進方向的振動。本文將從系統入手，通過改變系統(整車)的激勵頻率，達到避開系統共振頻率區間、減弱起步抖動振幅的目的，提高駕駛舒適性和產品競爭力。

1 車輛起步抖動產生的機制

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。產生的機制為：手動擋車輛起步過程中，慢松離合踏板發動機的轉速波動(柴油發動機怠速PID控制策略隨負載不同自動噴油維持怠速平衡)通過離合器的減震結構過濾后傳遞給變速箱，由于柴油發動機的扭振大及傳遞路徑各零部件的幾何偏差導致離合器壓緊力及作用半徑變化使傳動系統扭矩發生周期性變化；或離合器從動盤摩擦因數在滑摩過程中的變化使扭矩呈現周期性變化，從而產生傳動系統共振，如圖1所示。

圖1 起步抖動產生機制

起步抖動產生過程中影響因子眾多，主要有：

(1)發動機的扭振。發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致扭振。外界的激勵扭矩是發動機扭振的主要產生原因。內燃氣缸空腔內氣體壓力變化、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，發動機的扭振是其結構及工作原理導致的必然結果。

(2)離合器半聯動過程傳遞力矩波動。半聯動過程中，受摩擦材料、結構件的幾何偏差影響，離合器傳扭不穩定，使發動機扭振被放大。幾何偏差是必然存在的。

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

綜上，傳動系統產生扭振是系統共同產生的，優化任何因子都可能優化該問題。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

本文從系統角度出發，分析起步抖動問題。對駕駛者而言，車輛系統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的振動情況。以下是車輛起步抖動過程駕駛員座椅導軌處測試的X向振動曲線如圖2所示，傳動系統共振測試曲線如圖3所示。

圖2 駕駛員座椅導軌處測試的X向振動曲線

圖3 傳動系統共振測試曲線

由測試數據分析可以看出，座椅導軌振動大的區域在10～13 Hz低頻區間，與發動機的一階共振頻率(其值等于怠速轉速除以60)相當；傳動系統共振頻率峰值11.4 Hz在座椅導軌振動大區域，都與發動機一階共振頻率相當，這樣的傳動系統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軌振動測試

從測試數據分析，抖動發生在離合器半聯動滑摩過程中。對于離合器系統，起步抖動為避免共振頻率與發動機一階怠速頻率耦合，可以通過對離合系統的幾何偏差進行控制：主要是變速箱與發動機裝配對中度；飛輪和離合器壓盤的錐度、粗糙度；離合器從動盤減震機構的波形片回彈量及從動盤花鍵轂調心量；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。傳動系統需要增加傳動軸的剛度避開共振頻率[5]。

3 優化方案及相關驗證

基于離合系統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雜度；飛輪、壓盤的錐度和粗糙度只能部分優化，且錐度和粗糙度的優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的儲備行程，導致離合器不能完全分離產生燒片風險并帶來其他風險及售后抱怨；從動盤花鍵轂調心量一旦定型無法調整，如果增大調心量,則與之相連接的其他零部件需要重新進行強度的適配，復雜度和成本相應增加；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險。

進一步分析起步抖動過程及測試數據，在波形片回彈量范圍不變情況下，把低載面壓值增大優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的系統變更適配。

基于以上傳動系統優化方案局限性及風險和起步振動產生的機制，對起步過程不同負荷怠速轉速進行掃頻同步測試駕駛員座椅導軌X向振動，識別并確認振動幅度最大轉速區間。通過標定策略優化在起步過程中提升發動機怠速轉速避開與傳動系統的一階共振。

標定策略描述如下：①車輛預起步判斷。ECU對離合器踏板的位置狀態、油門踏板開度以及車速大小進行判斷，當離合器踏板開關處于觸發狀態且車速小于設定車速并油門踏板開度為0時判斷車輛進入預起步狀態。②提升發動機怠速轉速。當車輛進入預起步狀態時，在一定時間內完成發動機怠速提升，使得發動機扭矩增大，離合器結合時就會得到更多的扭矩，同時避開發動機怠速轉速的一階頻率與傳統系統共振頻率的耦合，車輛就不會出現抖動的問題。當離合器踏板開關從觸發狀態變為非觸發狀態，自動退出起步模式，發動機轉速回復為ECU設定轉速，此方案能有效解決起步抖動問題[6]。

起步發動機怠速轉速提升邏輯框圖如圖5所示。

圖5 起步發動機怠速轉速提升邏輯框圖

不同怠速轉速下車輛起步時車座椅導軌振動變化曲線如圖6所示。由圖可知，原狀態怠速轉速為680 r/min時，起步抖動最為明顯;當轉速升高或降低時，車內振動會有所降低。綜上，當車輛起步時，在特定條件下提高發動機的轉速，其座椅導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化明顯。

圖6 不同怠速轉速下車輛起步時車座椅導軌振動變化曲線

4 結束語

本文基于柴油車起步抖動產生的機制、影響因素和數據測試分析及優化方案的驗證可以指導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用[7]。