汽車動力總成慣性參數(shù)測試與分析*

胡 勇，郭長帥，范 杰

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東珠海 519090）

0 引言

著眼于發(fā)動機和傳動系統(tǒng)對NVH 的影響，研究其相互關(guān)系，進而將汽車動力總成懸置系統(tǒng)與整車連接進行優(yōu)化，研究動力總成懸置系統(tǒng)的靜、動力學(xué)特性及研究汽車動力總成振動控制、位移控制和隔振控制的要求時，就需要對車輛動力傳動系統(tǒng)的慣性參數(shù)進行研究分析。車輛動力傳動系統(tǒng)的慣性參數(shù)由轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置、慣性積和質(zhì)量等參數(shù)組成，這些參數(shù)與質(zhì)量分布有關(guān)，在汽車動力學(xué)設(shè)計和優(yōu)化中較為常用。為優(yōu)化求解動力總成與車架的參數(shù)，實驗研究其性能，有必要將轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置、慣性積和質(zhì)量等當作輸入匹配設(shè)計車輛動力總成的基本參數(shù)之一。因此設(shè)計一種專門的、可靠的和穩(wěn)定性較高的汽車動力總成慣性參數(shù)的測試臺以精確獲取動力總成的慣性參數(shù)就非常有必要[1-2]。目前已開發(fā)出多種汽車動力總成慣性參數(shù)的測試臺，但針對汽車動力總成慣性參數(shù)測試臺以最大載荷加載時其支架和擺盤的變形量進行有限元仿真分析較少，關(guān)于測試臺在較大載荷下其變形量與慣性參數(shù)誤差之間的影響研究分析也較少，因此對汽車動力總成慣性參數(shù)測試臺在較大載荷下和中等載荷下的對比測試分析有現(xiàn)實意義[3-5]。

1 測試臺支撐支架有限元仿真

自主設(shè)計的測試臺由支撐支架、計算機模塊等組成，測試臺支架大多數(shù)是Q235等材料等制成，通過限元方法來分析支架結(jié)構(gòu)的模態(tài)、振型是合適的。支撐支架實物圖和有限元模型如圖1所示。

圖1 支撐支架實物圖和有限元模型

把支撐支架的三維圖導(dǎo)入到Hypermesh 中，進行測支撐支架滿載時模態(tài)分析。下擺盤安裝到支架上時，考慮到鋼繩是純?nèi)嵝缘?，滿載時（最大質(zhì)量1 200 kg）加下擺盤的模態(tài)分析只能把下擺盤的質(zhì)量及待測物的質(zhì)量加在吊點，將下擺盤及待測物的重量作為加載力，加載上擺盤的加載點。由于支架是固定的，測量過程的相對運動較為平緩不激烈，因此支架分析可簡化為靜態(tài)分析。假設(shè)地面情況良好，受外界的干擾較小，地面強度硬度足夠，能承受測試臺的重力且不變形、不沉陷。測試臺放置附近無大的振動源產(chǎn)生干擾振動。假設(shè)載荷加載在上擺盤上是均勻加載，考慮到鋼繩是純?nèi)嵝缘?，同時對有限元分析影響不大的一些螺栓孔進行簡化[6]。

1.1 測試臺滿載工況支架模態(tài)分析

對滿載時支架進行前10 階自由振型分析，將Hypermesh 中的支撐支架有限元模型置于Abaqus 中進行計算，表1所示為前10階模態(tài)分析的結(jié)果[7]。圖2所示為滿載時支撐支架前4階振型情況。

表1 測試臺滿載工況支架固有頻率

1.2 測試臺滿載工況靜力學(xué)分析

從支架的應(yīng)力云圖中可以看出，其最大應(yīng)力115.8 MPa，位置剛好為上擺盤安裝孔，下擺盤的最大應(yīng)力156.9 MPa，位置為擺盤邊緣吊孔，如圖3所示。

圖3 支架和下擺盤的應(yīng)力云圖

支架最大變形量1.654 mm，位于上擺盤鋼繩安裝處。整個裝配體大部分存在著變形，變形集中在鋼繩吊孔附近，非吊孔位置附近因加強圓柱的存在，其變形較小。下擺盤的最大變形量為3.13 mm，位于鋼繩吊孔。如圖4所示。

圖4 支架和下擺盤變形有限元分析結(jié)果

從分析結(jié)果云圖上，只有在上擺盤和下擺盤的吊孔位置附近存在著小部分的應(yīng)力較大的區(qū)域，可以進行局部加強處理；最大應(yīng)力156.9 MPa，但也小于其材料屈服強度235 MPa。許多區(qū)域的應(yīng)力都沒有達到許用應(yīng)力。3根頂端橫梁和3根上橫梁的應(yīng)力和形變都較小，3根鋼管立柱應(yīng)力分布均勻，強度滿足要求。無外部激勵或其他振源影響時，不易被激發(fā)共振。

2 測試臺的標定與試驗

測試臺用3 根鋼絲繩作為擺線，為保證能起吊汽動力總成，鋼絲較粗、較長，上下擺盤之間的連接點較遠，對上下連接點之間的距離測試會有一定的誤差。為解決測試臺的精確度問題，必須將其空擺質(zhì)量M0通過一定的方法確定，同時其擺長L也要進行確定。標定后的這2個參數(shù)準確與否，對慣性參數(shù)的測試結(jié)果精確度有直接影響。

2.1 測試臺參數(shù)標定

設(shè)空擺時扭擺裝置和100 kg、200 kg、300 kg的圓柱標準塊的質(zhì)量分別為M0、M1、M2、M3，扭擺裝置空擺時和加載100 kg、200 kg 和300 kg 的圓柱標準塊時其扭擺周期分別為T0、T1、T2、T3，轉(zhuǎn)動慣量分別為J0、J1、J2、J3。通過以下兩種方法進行標定：（1）通過對空擺和加載有100 kg、200 kg 的圓柱標準塊時測量出來的T0、T1、T2來計算出標定值J0、M0和L，再將標定的J0、M0和L值代入加載300 kg的圓柱標準塊時按公式進行計算求出J3，驗證標定結(jié)果的有效性；（2）加載100 kg、200 kg和300 kg的圓柱標準塊，求出J0、M0和L的解，用求出的J0驗證標定結(jié)果的有效性[8]。標定結(jié)果如表2 所示。300 kg 圓柱標準塊（也稱校驗標準塊）并未單獨設(shè)計，是將100 kg和200 kg的圓柱標準塊疊加一起。

表2 參數(shù)標定結(jié)果

300 kg 圓柱標準塊所測量的結(jié)果作為一種參考，用以驗證標定參數(shù)是否有效。300 kg 圓柱標準塊的實驗轉(zhuǎn)動慣量與UG 數(shù)模值對比分析情況如表3所示。對比情況表明，將標定后的M0、L值代入計算小程序后轉(zhuǎn)動慣量輸出的結(jié)果與理論值相當接近，誤差小，未到1%，說明標定準確。

表3 300 kg圓柱標準塊的轉(zhuǎn)動慣量對比分析

2.2 組合長方體測試件測量實驗分析

設(shè)計了一個組合長方體測試件，在測試臺上進行慣性參數(shù)的測量。并與組合長方體測試件在UG 中的值進行對比。組合長方體測試件的測試實驗如圖5所示。

圖5 組合長方體測試件慣性參數(shù)測試實驗

UG中可得到組合長方體測試件慣性參數(shù)理論值，質(zhì)量為198.7 kg，質(zhì)心和慣性參數(shù)值如表4所示。

表4 組合長方體測試件的質(zhì)心和慣性參數(shù)值

組合長方體測試件以不同的姿態(tài)放置對其進行測試實驗，總計11 次，將質(zhì)心位置的測試數(shù)據(jù)與UG 中得到的理論值進行對比，剔除3組質(zhì)心誤差系數(shù)大于5時的測量數(shù)據(jù)，情況如表5 所示，實測值與理論值接近，絕對誤差都在合理范圍，且兩種質(zhì)心之間的距離為1.83 mm，小于3 mm。

表5 質(zhì)心位置測試數(shù)據(jù)與UG中得到的理論值比較（動力總成坐標系）

將對組合長方體測試件測得的轉(zhuǎn)動慣量與慣性積與其理論值進行對比，分析其絕對誤差與相對誤差，對比情況如表6所示，兩種結(jié)果數(shù)值相近，進一步驗證測試臺的測量準確度。其中最大相對誤差為Jz，其值為2.77%。Jxy、Jyz、Jzx數(shù)值較小，分析研究其相對誤差意義不大。

表6 轉(zhuǎn)動慣量、慣性積實測值與UG理論值比較

從實驗測試結(jié)果與UG 數(shù)模結(jié)果的比較可以看出，質(zhì)心位置坐標誤差較小，為1.83 mm，轉(zhuǎn)動慣量的最大相對誤差為2.77%。汽車動力總成一般在500～1 200 kg，測試臺主要針對此類質(zhì)量動力總成，而組合長方體測試件的質(zhì)量只有198.7 kg，精度相對偏低。試驗臺對于質(zhì)量小于500 kg 的組合長方體測試件的轉(zhuǎn)動慣量測試結(jié)果誤差稍微偏大，針對汽車動力總成其測試結(jié)果滿足要求。

3 測試臺應(yīng)用試驗分析

將組合長方體測試件在測試臺進行測量分析，雖然誤差不大，由于組合長方體測試件質(zhì)量不到200 kg，形狀規(guī)則，容易擺放，測量較易，誤差較小。但發(fā)動機或變速器等總成重達1 000 kg 左右，擺放較為困難，測量不易，需要一些輔助手段測量容易造成測量誤差。由于組合長方體測試件與實際測量物質(zhì)量差距較大，因此用某款接近測試臺最大設(shè)計量程的發(fā)動機、一般質(zhì)量的某動力總成分別進行測試分析[9]。

選擇某發(fā)動機、某動力總成分別進行試驗，測試臺測得的發(fā)動機質(zhì)量為1 168.5 kg（不含水套中水和油底殼機油質(zhì)量）、動力總成質(zhì)量為367.1 kg（不計水套中水、油底殼機油質(zhì)量、變速器油質(zhì)量），如圖6所示。

圖6 待測發(fā)動機、動力總成及其實驗姿態(tài)

發(fā)動機、動力總成分別現(xiàn)場實驗了8組、11組姿態(tài)。發(fā)動機和動力總成分別剔除誤差較大第5組和第4、8、11組的測量數(shù)據(jù)，將測得的實驗數(shù)據(jù)輸入到已編輯好的計算軟件中，得到質(zhì)心位置測試結(jié)果。發(fā)動機的質(zhì)心誤差值為5.89，誤差稍大，工程上也可以接受，由于測試的發(fā)動機質(zhì)量為測試臺最大測試范圍左右，因此發(fā)動機的質(zhì)心誤差值為5.89，誤差稍大，工程上也可以接受，某動力總成的質(zhì)量較小，測試出的質(zhì)心誤差系數(shù)為2.30，質(zhì)心位置坐標數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)動慣量和慣性積測試數(shù)據(jù)如表7、表8所示。

表7 質(zhì)心位置坐標測試結(jié)果（動力總成坐標系）

表8 轉(zhuǎn)動慣量和慣性積測試數(shù)據(jù)

根據(jù)轉(zhuǎn)軸定理，得到擬合轉(zhuǎn)動慣量的值，與實驗測得的轉(zhuǎn)動慣量進行對比分析，對比情況如表9 所示，轉(zhuǎn)動慣量的現(xiàn)場測試值與擬合值的2 種誤差均值較小，其中發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量最大相對誤差是第2 組的0.6%，動力總成的轉(zhuǎn)動慣量最大相對誤差是第7 組的0.3%，測試臺滿足使用要求，測量精度合適。轉(zhuǎn)動慣量測量結(jié)果比較準確。

表9 轉(zhuǎn)動慣量的對比分析

4 結(jié)束語

通過標定、用質(zhì)量較大的發(fā)動機和中等質(zhì)量的動力總成分別進行測試分析。根據(jù)標定及測試分析和實測分析來看。

（1）由于測試的發(fā)動機質(zhì)量接近測試臺最大測試范圍左右，導(dǎo)致測試支架與下擺盤在實驗過程中存在變形，下擺盤邊緣變形有點大，造成發(fā)動機上點的坐標測量誤差較大。發(fā)動機的質(zhì)心誤差值為5.89，誤差稍大，與有限元分析結(jié)果相吻合，工程上也可以接受，在測量質(zhì)量較小的動力總成，測試出的質(zhì)心誤差系數(shù)為2.30，測量精度較高。

（2）發(fā)動機的實測轉(zhuǎn)動慣量和擬合轉(zhuǎn)動慣量的最大相對誤差為0.6，動力總成的最大相對誤差為0.3%。測試結(jié)果說明測試臺滿足工程應(yīng)用，達到設(shè)計要求。

（3）實驗過程中為了支撐發(fā)動機或動力總成，使用了很多木塊，這些木塊對質(zhì)心位置坐標的測量結(jié)果會有一定的影響。

（4）實驗過程中的距離測量存在一定誤差。

（5）為進一步提高測試臺精度，應(yīng)進一步優(yōu)化設(shè)計測試臺，減少測試臺在測試過程中的變形，減少測量較重總成時的誤差；進一步研究測試臺的的支架的固有頻率與試驗誤差之間的聯(lián)系和測試臺的的擺盤變形與實驗誤差之間的聯(lián)系。