發(fā)動機啟停時動力總成懸置系統(tǒng)的設計方法研究獲獎科研報告

發(fā)動機啟停時動力總成懸置系統(tǒng)的設計方法研究獲獎科研報告摘

要：減小發(fā)動機油耗成為人們?nèi)找骊P注的問題，調(diào)整發(fā)動機的控制單元，縮短發(fā)動機達到最大扭矩的時間，是減少發(fā)動機燃油消耗的措施之一。另外一個措施是采用啟停技術（Start-Stop）：當發(fā)動機需要啟動時，由電機給發(fā)動機施加一個很大的瞬態(tài)扭矩，啟動發(fā)動機，當汽車遇到紅燈停止時，發(fā)動機停止工作。采用以上技術，在降低發(fā)動機油耗的同時，導致了動力總成的振動加劇，尤其是發(fā)動機啟停時，汽車車身的縱向振動加劇。

關鍵詞：模塊化設計;動力總成懸置系統(tǒng);剛度;模態(tài)

引言

動力總成懸置系統(tǒng)對動力總成的隔振以及整車舒適性起著關鍵作用，考慮多個設計目標，對懸置系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化匹配，具有重要的學術和應用價值。目前懸置系統(tǒng)優(yōu)化設計大都采用6自由度模型，通過對動力總成6階剛體模態(tài)的解耦，優(yōu)化各懸置在線性段的剛度、安裝位置和安裝角度。對于汽車動力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設計主要局限于懸置等子系統(tǒng)的設計與優(yōu)化，對考慮動力總成的激勵特性、振動噪聲的傳遞路徑和車內(nèi)振動噪聲的整體優(yōu)化研究較少。

1某平臺動力總成懸置系統(tǒng)模塊化設計

1.1某平臺懸置系統(tǒng)設計

本文所研究的汽車平臺包括Car、MPV及SUV三種車型，共搭載1.2L、1.0T和1.5L三種發(fā)動機，以及SH21M5、SH21M6、SH31M6B和SH31M64種變速器。各車型與動力總成的匹配關系如表1所示：本平臺搭載的動力總成均為前置前驅(qū)動力，動力總成懸置系統(tǒng)采用三點支撐布置形式，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，本平臺所有車型前車體大梁以及副車架為共用件。

1.2動力總成懸置系統(tǒng)的基本原理

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

動力總成懸置應該具有良好的隔振作用，一方面，它要阻止作為振源的發(fā)動機相車架傳遞振動力，這類形式稱為主動隔振;另一方面，懸置必須阻止路面不平激勵等傳給發(fā)動機的振動和沖擊，并使動力總成作為動力吸振器來衰減車架的振動能量，這種隔振形式稱作被動隔振。因此懸置具有雙向隔振的特性。

發(fā)動機的振動主要來源于兩處，一是由氣缸內(nèi)點火燃燒，曲軸輸出脈沖扭矩引起的激擾;二是由發(fā)動機往復運動的活塞和連桿等造成的慣性力不平衡的垂直振動。發(fā)動機在怠速和額定功率時是共振的易發(fā)區(qū)，所以在設計時都要考慮。

2發(fā)動機啟停時動力總成懸置系統(tǒng)的振動分析

由上節(jié)內(nèi)容可知半主動阻尼拉桿與懸置類似，是具有一定剛度和阻尼的元件，本文把阻尼拉桿當成第四點懸置，根據(jù)動力總成懸置系統(tǒng)的設計理論和方法，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%，懸置各向動靜比取1.4，優(yōu)化半主動阻尼拉桿的安裝位置。發(fā)動機懸置，變速箱懸置和防扭拉桿的動剛度及安裝位置由測試獲取。通過半主動阻尼拉桿在MTS831臺架上測試的動態(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，激勵頻率為25Hz）時阻尼拉桿的動剛度值作為優(yōu)化條件。

2.1發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升速率不同時動力總成的振動響應

發(fā)動機啟動時，其主要激勵為發(fā)動機繞曲軸方向的激勵，對發(fā)動機的扭矩-時間的關系，做如下定義：

式中：k為轉(zhuǎn)矩加載速率;Mo為發(fā)動機名義扭矩。通過發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）改變扭矩加載速率k的大小，可以改變動力總成懸置系統(tǒng)的振動特性。一般而言，加載速率k越小，即啟動時間越長，發(fā)動機在啟停時的振動越小。假定發(fā)動機啟動時響應時間為3s，Mo=150N/m。在不同加載速率下，動力總成沖擊度如下圖所示。由圖可知當發(fā)動機加載速率由k=10減小為k=1時，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。因此可以通過減小發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的加載速率，降低發(fā)動機啟動時動力總成的振動。但為了降低發(fā)動機啟動時的油耗，加載速率一般不宜太小

2.2半主動阻尼拉桿的應用

發(fā)動機啟動時，令啟動扭矩為式，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，會加劇動力總成的沖擊與振動。因此在原懸置系統(tǒng)中添加半主動阻尼拉桿后，通過系統(tǒng)動態(tài)響應計算，動力總成的沖擊度見上圖。由圖可知阻尼拉桿通電后，沖擊度的峰-峰值相應從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。因此半主動阻尼拉桿處于通電狀態(tài)時，降低了發(fā)動機啟動時動力總成的振動。

由圖可知半主動阻尼拉桿不通電時動力總成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-時間特性知當扭矩達到最大值150Nm的時間為0.2s，此時，半主動阻尼拉桿通電后加速度幅值在第0.2s達到峰值，隨后衰減。而不通電時，半主動阻尼拉桿的加速度峰值在第0.5s附近達到最大值，說明利用半主動阻尼拉桿的大阻尼可以迅速衰減啟動時的沖擊。動力總成懸置系統(tǒng)添加半主動阻尼拉桿后，計算得到懸置系統(tǒng)X方向的載荷，半主動阻尼拉桿不通電時，懸置的動態(tài)力在變化過程中波動較大。通電后，懸置動態(tài)支反力增加幅度更加平緩，減小了沖擊。同時，懸置系統(tǒng)X向動態(tài)支反力峰值都得到降低。當激勵力矩穩(wěn)定后，除變速箱懸置動態(tài)支反力增加了10N，發(fā)動機懸置和防扭拉桿都得到降低，防扭拉桿動態(tài)支反力峰值從320N降為180N，發(fā)動機懸置減小了15N。其原因為半主動阻尼拉桿在通電時的大阻尼降低了動力總成質(zhì)心的位移，導致懸置X向位移減小所致。

結束語

本文在分析發(fā)動機啟停時激勵力的基礎上，提出發(fā)動機啟停時動力總成懸置系統(tǒng)的動態(tài)響應評價指標和計算流程。當發(fā)動機