混合動力總成多點懸置參數的匹配方法新探

李忠欣，宋恩棟，葉懷漢，袁衛平

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

混合動力總成多點懸置參數的匹配方法新探

李忠欣，宋恩棟，葉懷漢，袁衛平

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

傳統動力總成懸置參數匹配方法是將動力總成視為單剛體，對軸向較長的混合動力總成，因該方法忽略了其軸向彎曲模態的影響，易造成動力總成軸向振動過大。本文提出將混合動力總成系統分為兩個剛體考慮的方法，通過選配合適的懸置剛度參數和試驗驗證，取得了將軸向振動加速度最大值從22.5 g下降到16.4 g、振動較大點數量大幅減少的效果，有重要的理論意義和實用價值。

動力總成；懸置參數；匹配方法；多剛體

1 問題提出

新型動力系統的動力特性與傳統動力總成系統有較大區別，需要設計與之相適應的動力系統參數。本中心在完成某混合動力客車動力總成懸置匹配的工作中發現，采用傳統的、將動力總成視為單剛體的懸置匹配方法應用于匹配軸向較長的混合動力總成懸置時，樣件試驗出現個別懸置點振動加速度過大、無法滿足懸置耐久性及動力總成使用要求的情況。本文基于試驗結果分析，提出將軸向較長的混合動力總成分為兩個剛體，建立動力總成受力模型進行理論分析，并采用能量解析法進行懸置參數選擇確定。通過試驗驗證，解決了原方案中的問題，效果理想。同時說明將軸向較長的動力系統分為兩個或多個剛體考慮更為接近實際。

研究對象是安裝在臺架上的某混合動力客車動力總成懸置系統，主要由發動機、集成啟動電機（ISG電機）和主電機組成，布置形式如圖1所示。6個懸置分別對稱布置在動力總成的左右兩側，從1#到6#進行編號。

將動力總成按照單剛體考慮，根據實際參數設計計算一組懸置參數，并依據解耦計算方法對其進行解耦率計算，結果見表1。滿足客車的解耦率要求，Z向在80%以上，其余方向控制在60%以上。

表1 原始懸置系統解耦率

依據設計值制作樣件，并搭建了混合動力總成試驗臺架進行試驗驗證。試驗主要考察動力總成系統發動機滿負荷速度特性下，動力總成懸置上下側的振動情況[1-2]。將振動較大點分成三個區段，分別是8～12 g、12～18 g及＞18 g。

式中：a下為懸置車身連接處振動加速度；a上為懸置動力總成連接處振動加速度。

試驗結果表明，所有懸置上下側振動加速度在速度負荷特性曲線上的均值計算的隔振量均大于60%（隔振量計算方法參見式（1）），滿足要求。

試驗結果同時顯示，1#、2#、3#、4#懸置上下側在轉速為 1700 r/min、2000 r/min、2200 r/min、2300 r/min、2600 r/min左右均有共振現象產生，但其振動加速度幅值均較小，滿足要求。但5#、6#懸置上下側在此工況下振動較強，存在＞18 g的振動點（見圖4、圖5）。為了確保動力總成長期有效運行，該方案不能進行實際使用。

2 問題分析及建立新模型

通過觀察試驗中振動的方向，發現較強振動都出現在靠近發動機前端（自由端）的X方向（整車前后方向），傳統發動機較少出現這種情況，因此，證明僅僅使用能量解耦法指導動力總成懸置設計存在缺陷。究其原因，是動力總成系統整體長度較大，在懸置參數以及安裝姿態沒有很好的匹配時，必然在傳動軸向發生彎曲，而傳統能量解耦法中，將動力總成假設為只有6個自由度的單剛體的假設不能準確反映出此特征。正是由于存在軸線方向的彎曲模態，導致了混合動力總成自由端X方向振動過大。

由于軸向較長的動力總成系統一般會存在彎曲與扭轉振動，因此，設計時將其視為單剛體不能準確地反映實際情況。結合試驗結果，通過分析認為，如果將動力總成分為一個單自由度上下振動模型和一個傳統發動機的模型更為合理。

根據實際的懸置布置情況，將動力總成圖1的受力簡化為如圖2所示的受力模型。此狀態是一個超靜定問題，而整個動力總成又較長，因此，有一定柔性，故不同的懸置安裝會使動力總成處在不同的受力情況下，使動力總成處于不同的平衡狀態，在這些平衡狀態中必然存在有利于動力總成運行的平衡狀態。

將圖1中的動力總成從ISG電機和柴油機結合面附近分開，將上述模型轉化為一個單自由度上下振動模型（1#和2#懸置支撐主電機和ISG電機）和一個傳統發動機的模型（3#、4#、5#、6#支撐柴油機），如圖 3 所示，并且認為這個狀態是合適的狀態。

3 計算模型

3.1 動力總成受力分配

考慮按照圖3狀態動力總成的受力分配來設計動力總成懸置參數。此時的動力總成垂直方向受力情況可用式（2）描述：

3.2 懸置的參數選取計算

按照振動理論，計算橡膠減振器的主方向上剛度參數的過程如下：

式中：n為發動機怠速轉速，取600 r/min；ω為基頻；ω/ω0為頻率比取2.5、2.0；Kd為受力處豎直向下動剛度，N/m；mi為懸置處豎直向下當量質量mi=Fi/g；g為重力加速度；z為受力點懸置個數，此處為2；Kid為單個懸置豎直向下動剛度，N/m；nd為動靜比，取1.3；Kis為單個懸置豎直向下靜剛度，N/m；α 為傾斜角，rad；Kis（法向）為單個懸置自身Z向靜剛度，N/m。

3.3 能量解耦分析法

在傳統設計理念中，動力總成系統的剛度較懸置系統的剛度大得多，通常將動力總成系統看成一個剛體。因此，動力總成的運動通常簡化為由三個平動和三個轉動，共六個自由度組成的運動形式。動力總成的模態由于上述簡化，主要考慮其前六階[3]。

在一般情況下，動力總成各階模態并不是相互獨立的，而是各自相互影響（耦合），這對于實際工程中，動力總成的振動控制是不利的。為了盡量減少動力總成各個自由度振動耦合的程度，常用打擊中心定理、彈性中心定理、能量解耦法等方法指導動力總成懸置的設計[4-5]。由于動力總成在整車上的布置形式和位置不容改變，打擊中心定理和彈性中心定理難以適用，因此，運用能量解耦法進行懸置參數選擇指導[6]。

能量解耦法假設動力總成為剛體，且只有三個平動和三個轉動自由度，此時激振力（矩）所做的功轉化為系統沿多個廣義坐標的動能和勢能。通過求解系統微分方程，得系統六階固有頻率ωj（j=1，2，…，σ）和固有振型φ，從而求出各階主振動時的能量分布，將它寫成矩陣形式，定義為能量百分比矩陣[7]。當系統以第j階模態振動時，此矩陣的第k行1列元素為

式中：φ（k，j）、φ（l，j）分別為第 j階振型的第 k 個和第l個元素；M（k，l）為系統質量矩陣的第 k 行、第 l列元素；wj是第j階固有頻率。當系統以第j階模態振動時，第k個廣義坐標分配的能量占系統總能量的百分比為

當其值為100%，則系統作第j階模態振動時，能量全部集中在k個廣義坐標上，此時，該階模態振動完全解耦[8-9]。

4 設計計算與驗證分析

根據本文新的模型帶入實際參數進行設計計算，得到各個懸置處受到的垂向力大小為F1≈6076 N、F2=F3≈2989N；懸置主方向設計剛度參數，并提出方案參數，見表2。

根據能量解耦法編寫MATLAB計算程序[10]，按照表2中的數值，取動靜比為1.3，其余兩個方向剛度取一定比例，得到動力總成懸置系統的解耦率（見表3）。

表2 懸置主方向靜剛度 （N/mm）

表3 懸置系統解耦率

優化方案懸置剛度不完全符合解耦的設計計算要求（Z向在80%以上，其余方向控制在60%）。這說明傳統解耦理論假設動力總成為單剛體力學模型，并不適用于較長動力總成的實際情況。而將較長動力總成視為兩個剛體的處理方法的實際效果，則需要通過以下的試驗進行驗證。

按照優化方案制作樣件，并搭建混合動力總成試驗臺架進行試驗驗證。試驗同樣采用LMS公司的SCADAS采集前端、TestLab軟件，以及若干B&K公司的振動加速度傳感器搭建的振動加速度測試系統。主要考察動力總成系統發動機滿負荷速度特性下，動力總成懸置上下側的振動情況。將振動較大點分成三個區段，分別是8～12 g、12 ～18 g及 ＞18 g。

通過試驗，所有懸置上下側振動加速度在速度負荷特性曲線上均值計算的隔振量均大于60%，滿足要求。

通過試驗方案的比對，發現優化方案的各個懸置的振動特性曲線中，1#、2#、3#、4#較原機狀態幾乎沒有變化（原機在這些位置振動較?。?，5#、6#懸置的振動情況有較大改善，見圖4和圖5。通過圖5看出，優化方案中已經將最大振動加速度由22.51 g減小為16.41 g，同時將最大值的峰值頻率也換到了不常用工況下，將所有方案中的振動較大數據整理入表4，其中max為該方案中振動最大點數值。表中的數據說明，將長動力總成按照兩個剛體的力學模型來選取動力總成懸置參數實際取得了較好的效果，是一種可行的方法，有較強的實用價值。

表4 各方案試驗數據匯總

5 結論

由于混合動力客車動力總成系統的總體長度較大，不能簡單假設成單剛體，因此，不能直接使用能量解耦法的計算結果，也不能一味追求較高解耦率。針對動力總成長度較大的情況，往往會采用多于四點懸置的布置方式，因此，設計計算時，可以將動力總成分段為兩個剛體處理，以單個剛體各自解耦為出發點，求得平衡狀態合適的靜力分配狀態，再根據此狀態求得對應的懸置參數，并加以試驗驗證與調整。本文的假設方法和試驗手段同樣適用于指導其他動力總成較長的懸置系統參數設計匹配。

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修改稿日期：2012-04-15

Study on Matching Method of Multi point Mounting System for Hybrid Power train

LI Zhong-xin,SONG En-dong,YE Huai-han,YUAN Wei-ping
(Commercial Vehicle Technical Center ofSAICMotor Co.,Ltd,Shanghai 200438,China)

The powertrain is regarded as a single rigid body for matching parameter in traditional method.However,for long-axial hybrid powertrain,the traditional way ignored the axial bending-mode,which makes serious axial-vibration.In this paper,a new method has been adopted which regards the powertrain as two rigid blocks so as to make the maximum value of axial vibration from 22.5 g to 16.4 g,and the number of points of vibration peak decreased largely with the method validated.There is great theoretical significance and practical value.

powertrain;mount parameter;matching method;multi-rigid body

U463.83+1

A

1006-3331（2012）04-0007-04

李忠欣（1973-），男，主要研究方向：動力傳動系統匹配。