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.