李　凱，張振東，吳旭陵，周　哲

(1.上海理工大學(xué) 汽車工程研究所，上海 200093；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438)

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汽車傳動(dòng)系統(tǒng)熄火工況減振控制算法研究

李凱1，張振東1，吳旭陵2，周哲1

(1.上海理工大學(xué) 汽車工程研究所，上海 200093；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438)

摘要車輛安裝雙質(zhì)量飛輪(DMF)可改善正常行駛過程中舒適性，但會(huì)加劇汽車在熄火過程中傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。針對(duì)該問題，以某型汽車為對(duì)象，基于安裝雙質(zhì)量飛輪后汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的特性，提出了相應(yīng)的減振控制算法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過不同試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，提出了在汽車熄火時(shí)刻，通過ECU控制邏輯關(guān)閉進(jìn)氣節(jié)流(TVA)閥和廢氣再循環(huán)(EGR)閥，并適當(dāng)延遲斷油時(shí)刻的控制算法。該算法使傳動(dòng)系統(tǒng)穿越共振轉(zhuǎn)速區(qū)的時(shí)間縮短了50%，大幅改善了汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的熄火振動(dòng)。

關(guān)鍵詞減振控制算法；汽車傳動(dòng)系統(tǒng)；雙質(zhì)量飛輪；熄火工況

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生強(qiáng)烈扭振，不僅會(huì)大幅降低整車駕駛舒適性，且會(huì)縮短傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的使用壽命[1-2]。為更好地控制車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和噪聲，雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)減振器已經(jīng)逐步取代了離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器，成為近年發(fā)展起來的一種更為有效的新型扭轉(zhuǎn)減振器[3]。雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)減振器不僅可大幅度改變減振器兩側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分配，從而將傳動(dòng)系統(tǒng)共振頻率降低到怠速轉(zhuǎn)速以下，還能增大減振器的工作轉(zhuǎn)角并降低其扭轉(zhuǎn)剛度，從而可更好地控制車輛傳動(dòng)系的扭振[4-5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)共振區(qū)，引起傳動(dòng)系統(tǒng)共振[6]。國內(nèi)外有學(xué)者對(duì)雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了磁流變液雙質(zhì)量飛輪，通過改變勵(lì)磁線圈電流的大小對(duì)雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)阻尼進(jìn)行調(diào)控，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)速度下降過程中的轉(zhuǎn)速波動(dòng)[7-9]，但此方法會(huì)使制造成本大幅增加。本文以某試驗(yàn)車為對(duì)象，在分析雙質(zhì)量飛輪減振機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)熄火工況下汽車傳動(dòng)系的減振控制算法，并通過不同方案對(duì)比對(duì)控制算法進(jìn)行了優(yōu)選，有效降低了汽車傳動(dòng)系的熄火振動(dòng)。

1雙質(zhì)量飛輪減振的利弊分析

如圖1所示，雙質(zhì)量飛輪是將整個(gè)飛輪一分為二，即第一質(zhì)量和第二質(zhì)量，其中第二質(zhì)量通過軸承相對(duì)于第一質(zhì)量可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

安裝雙質(zhì)量飛輪的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。其中，J1為第一質(zhì)量側(cè)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為第二質(zhì)量側(cè)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K為雙質(zhì)量飛輪的彈簧剛度；C為雙質(zhì)量飛輪的阻尼系數(shù)。

圖1　雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)

圖2　傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率ωc可表示為

(1)

其中，J為傳動(dòng)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由于實(shí)驗(yàn)車輛使用直列四缸四沖程柴油機(jī)，則傳動(dòng)系統(tǒng)固有共振轉(zhuǎn)速為

(2)

其中，雙質(zhì)量飛輪采用一級(jí)彈簧剛度，K為338.8 Nm/rad；J1為0.13 kg·m2，J2為0.11 kg·m2。系統(tǒng)固有共振轉(zhuǎn)速nc=360 r/min。由于制造誤差等原因，共振區(qū)域270～470 r/min。若采用單質(zhì)量飛輪，系統(tǒng)固有共振轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 200～1 400 r/min。

由此可看出，配置雙質(zhì)量飛輪的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)可通過改變主次飛輪的質(zhì)量調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱兩側(cè)的質(zhì)量分配，從而改變傳動(dòng)系統(tǒng)的共振轉(zhuǎn)速區(qū)間。因此使傳動(dòng)系統(tǒng)的共振轉(zhuǎn)速降到怠速以下，有效地降低常用工況下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，消除變速箱沖擊噪聲，提高整車的NVH性能。但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)經(jīng)過系統(tǒng)共振轉(zhuǎn)速區(qū)域，引起系統(tǒng)共振，產(chǎn)生抖動(dòng)，造成變速箱沖擊噪聲，導(dǎo)致在共振區(qū)域內(nèi)整車的NVH性能變差。因此，控制發(fā)動(dòng)機(jī)快速通過共振轉(zhuǎn)速區(qū)，對(duì)于提高整車的NVH性能具有重要實(shí)際意義。

2熄火過程中傳動(dòng)系統(tǒng)減振控制

2.1減振控制策略分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火過程中，可通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及延長噴油過程的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系減振。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣受到限制，但發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣未受影響，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)排氣機(jī)，進(jìn)氣歧管內(nèi)將快速形成負(fù)壓。負(fù)壓程度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓也就越大，即發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失也就越大。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將由于過大的泵氣損失而使轉(zhuǎn)速迅速下降，從而帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速快速下降，可使傳動(dòng)系統(tǒng)快速通過共振轉(zhuǎn)速區(qū)，從而減輕因系統(tǒng)共振產(chǎn)生的傳動(dòng)系統(tǒng)扭振。

傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入其共振轉(zhuǎn)速區(qū)之前盡可能維持噴油系統(tǒng)的工作，這樣可使發(fā)動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生共振之前有更長的工作時(shí)間從而排出更多的氣體，當(dāng)噴油器停止工作后進(jìn)氣歧管可形成更大的負(fù)壓。由于上述過程發(fā)生在傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入其共振轉(zhuǎn)速區(qū)之前，這樣可進(jìn)一步加快傳動(dòng)系統(tǒng)通過其共振轉(zhuǎn)速區(qū)，降低傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。

2.2減振控制算法設(shè)計(jì)

電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)如圖3所示，進(jìn)入氣缸的氣體分為兩部分：由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣和由EGR系統(tǒng)回流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣。在車輛熄火過程中，當(dāng)ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)關(guān)閉TVA閥后，將只有少量新鮮空氣由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口流入氣缸。但若此時(shí)未關(guān)閉EGR閥，則會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣管路和排氣管路相通，會(huì)有氣體通過EGR閥進(jìn)入氣缸內(nèi)，對(duì)氣缸內(nèi)負(fù)壓的形成程度造成不利影響。

圖3　電控柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)示意

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)減少進(jìn)氣后，所噴的燃油主要與氣缸內(nèi)剩余的氣體進(jìn)行混合燃燒，隨著燃燒時(shí)間的推移，缸內(nèi)的氧含量逐步下降，故在此過程中需逐漸減少噴油。噴油量隨時(shí)間的變化量如圖4所示。

圖4　熄火信號(hào)發(fā)出后柴油機(jī)噴油量變化曲線

在ECU接收到熄火信號(hào)后，立刻關(guān)閉TVA閥和EGR閥，需維持噴油系統(tǒng)工作一段時(shí)間，熄火過程中噴油系統(tǒng)工作時(shí)間不易過長也不能過短。工作時(shí)間過長，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)因?yàn)槿剂蠜]有足夠的空氣支持燃燒而熄火，導(dǎo)致部分燃油無法完全燃燒，造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能惡化和有害排放增加。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速已進(jìn)入傳動(dòng)系統(tǒng)共振區(qū)，若發(fā)動(dòng)機(jī)還經(jīng)歷燃燒過程，將大幅延長其通過共振區(qū)的時(shí)間，從而增強(qiáng)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。若噴油系統(tǒng)工作時(shí)間過短，提供給發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣缸內(nèi)氣體的能量會(huì)減少，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體量減少，缸內(nèi)形成的負(fù)壓會(huì)減小，故影響傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)改善效果。因此，需要合理配置噴油系統(tǒng)工作時(shí)間和單次噴油量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入共振轉(zhuǎn)速區(qū)附近缸內(nèi)有足夠的氣體參與燃燒并在形成更大的缸內(nèi)負(fù)壓。

圖5　傳動(dòng)系統(tǒng)扭振改善的算法邏輯

從圖5可看出，只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火工況中才會(huì)執(zhí)行振動(dòng)改善策略。熄火工況的判斷條件為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于其最高怠速轉(zhuǎn)速，且ECU接受到熄火信號(hào)。振動(dòng)改善策略為：立即關(guān)閉TVA閥和EGR閥，同時(shí)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推遲斷油設(shè)置了安全工作轉(zhuǎn)速和噴油系統(tǒng)最大工作時(shí)間，轉(zhuǎn)速低于安全工作轉(zhuǎn)速或噴油系統(tǒng)工作時(shí)間長于其最大工作時(shí)間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立刻停止噴油。設(shè)置安全轉(zhuǎn)速是為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)系統(tǒng)已進(jìn)入其轉(zhuǎn)速共振區(qū)時(shí)仍在工作，這樣會(huì)使傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)加??；而設(shè)置噴油器最大工作時(shí)間時(shí)為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)因TVA閥故障而不能正常熄火。

3熄火過程中傳動(dòng)系統(tǒng)減振策略驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中算法對(duì)傳動(dòng)系減振的效果，設(shè)計(jì)了A、B、C共3種試驗(yàn)對(duì)著方案，如表1所示。

表1　傳動(dòng)系統(tǒng)熄火時(shí)減振控制方案

通過整車試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了方案D的優(yōu)越性。試驗(yàn)車輛和設(shè)備如圖6所示。整車試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)采用ETAS公司的ES581。

圖6　實(shí)驗(yàn)臺(tái)架圖片

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到熄火過程中各方案進(jìn)氣壓力變化如圖7所示。

圖7　熄火過程中各方案進(jìn)氣歧管壓力變化

從圖中數(shù)據(jù)可看出，方案B與方案A相比，沒有形成明顯負(fù)壓，方案A在共振區(qū)中進(jìn)氣歧管內(nèi)的平均壓力為101.7 kPa，方案B為96.2 kPa。而方案C與方案A相比，平均壓力為57.8 kPa，平均壓力降了43.9 kPa。方案D的負(fù)壓程度最高，而在共振區(qū)內(nèi)的平均壓力減小到44.7 kPa，比方案C低15.7 kPa。

圖8　熄火過程中轉(zhuǎn)速變化曲線

如圖8所示，方案A、B、C中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎同時(shí)到達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速共振區(qū)。而方案D與其相比，這一時(shí)間延長了約0.35 s，即方案D相比其他方案，多了0.35 s的排氣時(shí)間。

方案D通過傳動(dòng)系統(tǒng)共振區(qū)所用時(shí)間最短，只有0.14 s，耗時(shí)為方案C 0.19 s的73%，為方案B 0.26 s的53%，為方案A 0.28 s的50%。

從人的主觀感受而言，方案B對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)基本沒有改善。方案C對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)有一定的改善效果，熄火時(shí)整車振動(dòng)明顯減小。方案D對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)改善效果最佳，熄火時(shí)整車無明顯振動(dòng)。

表2　熄火過程中各方案結(jié)果對(duì)比

可以得出，本文所設(shè)計(jì)的控制算法可有效形成負(fù)壓，使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速快速通過其系統(tǒng)轉(zhuǎn)速共振區(qū)，對(duì)抑制傳動(dòng)系統(tǒng)減振起到較好的效果。

4結(jié)束語

(1)在熄火只工況中有同時(shí)關(guān)閉TVA和EGR閥進(jìn)氣歧管才能有效形成負(fù)壓，延長噴油系統(tǒng)的工作時(shí)間可進(jìn)一步增強(qiáng)所負(fù)壓的形成程度；(2)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入其共振轉(zhuǎn)速區(qū)之前，進(jìn)氣歧管內(nèi)所形成的負(fù)壓越大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的改善效果越好；(3)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：熄火時(shí)立刻關(guān)閉TVA閥和EGR閥，并保持噴油系統(tǒng)繼續(xù)工作一段，對(duì)抑制傳動(dòng)系統(tǒng)減振起到較好的效果。

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Research on Flameout Vibration Reduction of Automotive Driveline Systems

LI Kai1, ZHANG Zhendong1, WU Xuling2, ZHOU Zhe1

(1.Institute of Automotive Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;

2.Technique Center, SAIC Motor Commercial Vehicle, Shanghai 200093, China)

AbstractVehicle with Dual Mass Flywheel (DMF) reduces the vibration during normal driving conditions at the cost of aggravating the vibration response during the flameout condition. This paper proposes a vibration reduction strategy based on the resonance speed range when the transmission has installed the DMF. This result is concluded by the experiments of a specific type of vehicle. The results of different test schemes indicate that the vehicle in the flameout condition by ECU closes inlet throttling valve (TVA) and exhaust gas recirculation (EGR) valve, and that the control algorithm of cut-off time delay fault oil moment is appropriate. The algorithm saves half of the time of the driveline system through the resonance speed range, thus significantly improving the transmission system’s vibration level during the flameout condition.

Keywordsvibration reduction algorithm; automotive driveline system; dual-mass flywheel; flame condition

收稿日期:2015- 11- 07

作者簡(jiǎn)介:李 凱(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.009

中圖分類號(hào)TP306.1；U467.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-029-04