發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究

平立芳 王立維 楊洋

摘? 要：減小發(fā)動(dòng)機(jī)油耗成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大扭矩的時(shí)間，是減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的措施之一。另外一個(gè)措施是采用啟停技術(shù)（Start-Stop）：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要啟動(dòng)時(shí)，由電機(jī)給發(fā)動(dòng)機(jī)施加一個(gè)很大的瞬態(tài)扭矩，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)汽車(chē)遇到紅燈停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。采用以上技術(shù)，在降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的同時(shí)，導(dǎo)致了動(dòng)力總成的振動(dòng)加劇，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)，汽車(chē)車(chē)身的縱向振動(dòng)加劇。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì);動(dòng)力總成懸置系統(tǒng);剛度;模態(tài)

引言

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力總成的隔振以及整車(chē)舒適性起著關(guān)鍵作用，考慮多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)懸置系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。目前懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)大都采用6自由度模型，通過(guò)對(duì)動(dòng)力總成6階剛體模態(tài)的解耦，優(yōu)化各懸置在線(xiàn)性段的剛度、安裝位置和安裝角度。對(duì)于汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要局限于懸置等子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)考慮動(dòng)力總成的激勵(lì)特性、振動(dòng)噪聲的傳遞路徑和車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲的整體優(yōu)化研究較少。

1某平臺(tái)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

1.1某平臺(tái)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所研究的汽車(chē)平臺(tái)包括Car、MPV及SUV三種車(chē)型，共搭載1.2L、1.0T和1.5L三種發(fā)動(dòng)機(jī)，以及SH21M5、SH21M6、SH31M6B和SH31M64種變速器。各車(chē)型與動(dòng)力總成的匹配關(guān)系如表1所示：本平臺(tái)搭載的動(dòng)力總成均為前置前驅(qū)動(dòng)力，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)采用三點(diǎn)支撐布置形式，其中1.0T及1.5L右側(cè)Eng懸置為液壓懸置，其余為橡膠懸置。本平臺(tái)懸置布置形式如圖1所示。為了降低研發(fā)成本，提高效率，本平臺(tái)所有車(chē)型前車(chē)體大梁以及副車(chē)架為共用件。

1.2動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的基本原理

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)主要是由剛性支架和彈性支承裝置兩部分組成，承擔(dān)著發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器的重量和沖擊載荷，同時(shí)要減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲，限制動(dòng)力總成的最大位移，避免與周邊零部件干涉懸置系統(tǒng)性能通常用傳遞β來(lái)衡量，也就是把來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)通過(guò)懸置系統(tǒng)傳遞到車(chē)架的數(shù)量。當(dāng)β>1 時(shí)，表示懸置系統(tǒng)正在增加來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，其自振頻率接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率，從而產(chǎn)生共振。當(dāng)β<1 時(shí)，表示懸置系統(tǒng)正在減少來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，起到了隔振作用。所以設(shè)計(jì)懸置時(shí)，首先要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率，避開(kāi)共振點(diǎn)。

動(dòng)力總成懸置應(yīng)該具有良好的隔振作用，一方面，它要阻止作為振源的發(fā)動(dòng)機(jī)相車(chē)架傳遞振動(dòng)力，這類(lèi)形式稱(chēng)為主動(dòng)隔振;另一方面，懸置必須阻止路面不平激勵(lì)等傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和沖擊，并使動(dòng)力總成作為動(dòng)力吸振器來(lái)衰減車(chē)架的振動(dòng)能量，這種隔振形式稱(chēng)作被動(dòng)隔振。因此懸置具有雙向隔振的特性。

發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)主要來(lái)源于兩處，一是由氣缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒，曲軸輸出脈沖扭矩引起的激擾;二是由發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞和連桿等造成的慣性力不平衡的垂直振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速和額定功率時(shí)是共振的易發(fā)區(qū)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮。

2發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的振動(dòng)分析

由上節(jié)內(nèi)容可知半主動(dòng)阻尼拉桿與懸置類(lèi)似，是具有一定剛度和阻尼的元件，本文把阻尼拉桿當(dāng)成第四點(diǎn)懸置，根據(jù)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法，從懸置系統(tǒng)的固有頻率和解耦的角度出發(fā)，使各向固有頻率間隔≥1Hz，各向解耦率≥85%，懸置各向動(dòng)靜比取1.4，優(yōu)化半主動(dòng)阻尼拉桿的安裝位置。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，變速箱懸置和防扭拉桿的動(dòng)剛度及安裝位置由測(cè)試獲取。通過(guò)半主動(dòng)阻尼拉桿在MTS831臺(tái)架上測(cè)試的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，選擇在怠速工況（懸置系統(tǒng)的振幅為0.05mm，激勵(lì)頻率為25Hz）時(shí)阻尼拉桿的動(dòng)剛度值作為優(yōu)化條件。

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩上升速率不同時(shí)動(dòng)力總成的振動(dòng)響應(yīng)

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其主要激勵(lì)為發(fā)動(dòng)機(jī)繞曲軸方向的激勵(lì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩-時(shí)間的關(guān)系，做如下定義：

式中：k為轉(zhuǎn)矩加載速率;Mo為發(fā)動(dòng)機(jī)名義扭矩。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）改變扭矩加載速率k的大小，可以改變動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的振動(dòng)特性。一般而言，加載速率k越小，即啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在啟停時(shí)的振動(dòng)越小。假定發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)時(shí)間為3s，Mo=150N/m。在不同加載速率下，動(dòng)力總成沖擊度如下圖所示。由圖可知當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加載速率由k=10減小為k=1時(shí)，沖擊度的峰-峰值從273rad/s3減小到27.8rad/s3。加載速率越小，沖擊度幅值越小。因此可以通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的加載速率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力總成的振動(dòng)。但為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的油耗，加載速率一般不宜太小

2.2半主動(dòng)阻尼拉桿的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，令啟動(dòng)扭矩為式，其中名義扭矩為150Nm，加載速率為10s-1。由2.1節(jié)可知加載速率較大時(shí)，會(huì)加劇動(dòng)力總成的沖擊與振動(dòng)。因此在原懸置系統(tǒng)中添加半主動(dòng)阻尼拉桿后，通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算，動(dòng)力總成的沖擊度見(jiàn)上圖。由圖可知阻尼拉桿通電后，沖擊度的峰-峰值相應(yīng)從273rad/s3變?yōu)?21rad/s3，峰-峰值降低19%，在第1.5s沖擊度幅值衰減為零。因此半主動(dòng)阻尼拉桿處于通電狀態(tài)時(shí)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力總成的振動(dòng)。

由圖可知半主動(dòng)阻尼拉桿不通電時(shí)動(dòng)力總成X向加速度峰-峰值為0.42m/s2，通電后變?yōu)?5m/s2，幅值降低17%。

由方程中的扭矩-時(shí)間特性知當(dāng)扭矩達(dá)到最大值150Nm的時(shí)間為0.2s，此時(shí)，半主動(dòng)阻尼拉桿通電后加速度幅值在第0.2s達(dá)到峰值，隨后衰減。而不通電時(shí)，半主動(dòng)阻尼拉桿的加速度峰值在第0.5s附近達(dá)到最大值，說(shuō)明利用半主動(dòng)阻尼拉桿的大阻尼可以迅速衰減啟動(dòng)時(shí)的沖擊。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)添加半主動(dòng)阻尼拉桿后，計(jì)算得到懸置系統(tǒng)X方向的載荷，半主動(dòng)阻尼拉桿不通電時(shí)，懸置的動(dòng)態(tài)力在變化過(guò)程中波動(dòng)較大。通電后，懸置動(dòng)態(tài)支反力增加幅度更加平緩，減小了沖擊。同時(shí)，懸置系統(tǒng)X向動(dòng)態(tài)支反力峰值都得到降低。當(dāng)激勵(lì)力矩穩(wěn)定后，除變速箱懸置動(dòng)態(tài)支反力增加了10N，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和防扭拉桿都得到降低，防扭拉桿動(dòng)態(tài)支反力峰值從320N降為180N，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置減小了15N。其原因?yàn)榘胫鲃?dòng)阻尼拉桿在通電時(shí)的大阻尼降低了動(dòng)力總成質(zhì)心的位移，導(dǎo)致懸置X向位移減小所致。

結(jié)束語(yǔ)

本文在分析發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)激勵(lì)力的基礎(chǔ)上，提出發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算流程。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩的加載速率較大時(shí)，加劇了動(dòng)力總成振動(dòng)。添加半主動(dòng)阻尼拉桿后，通過(guò)懸置系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算，對(duì)比了通電和不通電兩種狀態(tài)下動(dòng)力總成的縱向加速度，沖擊度，懸置X向的動(dòng)態(tài)支反力和VDV四個(gè)指標(biāo)。結(jié)果表明添加半主動(dòng)阻尼拉桿后，這些指標(biāo)值都得到降低，即減小了汽車(chē)啟停時(shí)的振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]? 楊勝，孔剛.基于ADAMS的客車(chē)懸置系統(tǒng)隔振性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2013，35（06）：5-7+13.

[2]? 李志強(qiáng)，陳樹(shù)勛，韋齊峰.發(fā)動(dòng)機(jī)總成懸置系統(tǒng)解耦方法研究[J].動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2013，11（04）：357-362.

[3]? 王歆侃，陳劍.汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)魯棒優(yōu)化算法[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，32（06）：169-174.

[4]? 胡金芳，陳無(wú)畏，葉先軍.計(jì)及彈性支撐的汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)解耦研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（23）：2879-2885.

[5]? 何融，王建，劉飛，張曄.動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)解耦改進(jìn)研究[J].上海汽車(chē)，2012（12）：24-27.