汽车起步颤振的非线性动力学性态及鲁棒控制

Under congested urban traffic conditions, the car would frequently remain the stop-launch state, the launch shudder phenomenon caused by clutch torque fluctuation is one of the typical NVH problems of the vehicle driveline. At present, the domestic research for this phenomenon is still in its infancy. The launch shudder phenomenon of a passenger sedan equipped AMT is focused, improved method of EMD(Empirical Mode Decomposition) is proposed and HHT(Hilbert-Huang Transform) is used in the test analysis, the transfer path and evolutionary process of nonlinear dynamics behavior. The nonlinear dynamics model of coupled vibration, which can discribe launch shudder phenomenon comprehensively, is established considering the natural nonlinear characteristics of driveline, such as clutch torque during engagement, variable meshing stiffness of transmission gear pairs modeled by restoring torque, further the forced vibration for self-excited system is examined. Mechanism analysis of launch shudder is also carried out combining with the test analysis and Lyapunov stablity theory. Based on the work, the influence factors of launch shudder utilizing are researched through the dimensional analysis, the cruitial factors and the critical conditions are investigated; with the uncertaity, such as misalignment and tolerances & unmodeled dynamics considered, a DK-iteration procedure, combining H∞ controller and μ synthesis is adopted for robust controller design to suppress the launch shudder.

拥堵的市区交通行驶情况下，汽车会频繁地处于起步停车状态，离合器转矩波动导致的汽车起步颤振是传动系典型的NVH问题之一，国内对该现象的研究尚处初期。项目围绕装备电控机械式自动变速器的轿车起步颤振现象，进行实车实验，提出改进的经验模态分解方法，将希尔伯特-黄变换推广用于汽车起步颤振的信号分析中，并与短时傅里叶变换等的时频分析方法进行对比，研究系统的非线性性态、传递路径及其演变过程；此外，建立能全面描述该现象的非线性动力学耦合振动模型，使用恢复力矩法建立具有内禀特性齿轮副时变啮合刚度的模型，研究自激系统的强迫振动，基于李雅普诺夫意义下的稳定性原理分析起步颤振产生的机理；在此基础上进行量纲分析，进行主次影响因素识别及其影响规律确定，并确定速度等的临界条件；考虑制造、安装等不确定性因素及未建模动态，使用H∞控制与μ分析集成的D-K迭代技术，进行起步颤振鲁棒控制理论与方法及仿真实验研究，以抑制该现象。

在起步工况下，由于摩擦的粘滑非线性，使得离合器在滑摩状态下导致传动系统出现剧烈的扭转振动，进而表现为车辆的低频纵向振动，频率范围约在5~20Hz之间，称之为起步颤振。频繁的离合器分离与接合会使起步颤振问题更加突出，直接降低驾乘体验和汽车使用寿命，不利于企业树立品牌形象，亟待优化与改善，尤其是使用机械式变速器车辆。项目围绕汽车起步颤振问题，结合理论研究、仿真分析与试验，剖析该现象的产生机理及影响因素，并据此提出相应的颤振抑制措施。.通过汽车起步试验，从冲击度、滑摩功、起步时间、特征频率等角度，对比分析了起步操纵因素对起步颤振的影响；并通过建立整车动力传动系统多物理场模型及协同仿真再现了汽车起步颤振现象，且在时频域内与试验结果进行对比，验证模型的有效性和准确性。两者均表明：当发动机平均转速高于或稍低于怠速转速时，以起步颤振的特征频率为主，其与滑摩状态下的动力传动系统的第一阶固有频率一致，与离合器的摩擦特征密切相关。.同时，剖析了起步颤振现象的产生与演变过程，即由Stribeck效应的负斜率特性所构成的闭环正反馈过程，使离合器从动盘转速的波动程度更加剧烈，符合系统存在负欠阻尼比时的响应形式，表现为摩擦自激振动；此外，考虑当外部激励的频率接近或等于滑摩状态下动力传动系统的第一阶固有频率时，系统发生共振，加剧了汽车起步颤振现象；项目尤其针对外部干扰、未建模动态和参数误差等方面的不确定性，进行了鲁棒反馈控制器的设计与研究，其核心思路是通过可控变量来破坏摩擦自激振动的产生条件，并通过实车试验验证了此机制。.项目取得了丰富的学术成果：在高水平国际刊物上发表SCI论文5篇、EI论文20余篇；授权国家发明专利4项、受理并实审发明专利3项，获计算机软件著作权1项，多次在顶级国际学术会议上做报告；此外，项目成果得到了很好的推广应用，产生了显著的经济和社会效益，获省部级技术发明奖二等奖2、优秀著作奖一等奖1项，项目负责人当选为美国SAE Fellow。