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

王道勇， 趙學(xué)智， 上官文斌,， 葉必軍

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641； 2. 寧波拓普集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315800)

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。為了減少上述兩種情況下動(dòng)力總成的振動(dòng)問(wèn)題，可以?xún)?yōu)化動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，減少動(dòng)力總成的振動(dòng)。

Bang等[1]研究了發(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，以一橫置的動(dòng)力總成為例，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)，懸置系統(tǒng)的優(yōu)化方法：使動(dòng)力總成在俯仰和縱向充分解耦，達(dá)到減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成的振動(dòng)。Lee等[2]的研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)，動(dòng)力總成的振動(dòng)對(duì)懸置系統(tǒng)在縱向上的剛度最為敏感：通常增加懸置系統(tǒng)在縱向的剛度，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)，動(dòng)力總成的位移，從而減小啟停時(shí)動(dòng)力總成的振動(dòng)。但是這種方法會(huì)降低懸置在怠速或高速穩(wěn)態(tài)工況下懸置在縱向方向的隔振性能。

Sugimura等[3]用小波分析的方法對(duì)汽車(chē)啟停時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，變速箱懸置和防扭拉桿的振動(dòng)，是傳遞到座椅振動(dòng)的主要傳遞路徑，增加變速箱懸置縱向剛度和減小防扭拉桿縱向剛度減小了汽車(chē)啟停時(shí)的振動(dòng)。Takei等[4]對(duì)汽車(chē)啟動(dòng)振動(dòng)的傳遞路徑進(jìn)行了分析，研究表明當(dāng)汽車(chē)還處于靜止時(shí)，汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)的沖擊主要來(lái)自動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)。

以上解決發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成振動(dòng)的措施均為調(diào)整懸置系統(tǒng)的剛度。其它可行的措施為增加懸置的阻尼，尤其是增加防扭拉桿在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)的阻尼，以衰減動(dòng)力總成的振動(dòng)。但是，橡膠懸置和防扭拉桿(也稱(chēng)作橡膠懸置)的阻尼較小，調(diào)節(jié)阻尼對(duì)衰減動(dòng)力總成的振動(dòng)不明顯。

為此作者設(shè)計(jì)制造了一種半主動(dòng)阻尼拉桿，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)，在拉桿X方向提供較大的阻尼，以快速衰減動(dòng)力總成的振動(dòng)，而在正常行駛時(shí)，將阻尼拉桿的阻尼切換成小阻尼狀態(tài)。基于懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法，把阻尼拉桿當(dāng)作第四點(diǎn)懸置，優(yōu)化半主動(dòng)阻尼拉桿的位置。建立6自由度動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，對(duì)比添加半主動(dòng)阻尼拉桿后，通電和不通電對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)振動(dòng)的影響，結(jié)果表明添加阻尼拉桿可以減小汽車(chē)啟停時(shí)的振動(dòng)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成振動(dòng)評(píng)價(jià)

將動(dòng)力總成視為剛體，建立六自由度的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)模型。其中原點(diǎn)O為動(dòng)力總成質(zhì)心，X軸正方向與汽車(chē)前進(jìn)方向相反，Y軸與曲軸平行，由變速箱指向發(fā)動(dòng)機(jī)，Z軸通過(guò)右手定則確定。懸置簡(jiǎn)化為沿3個(gè)彈性主軸U，V和W方向具有剛度和阻尼的元件，其方向分別和動(dòng)力總成的X，Y和Z軸平行，如圖1所示。

圖1 汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng) Fig.1 Vehicle powertrain mount system

為計(jì)算懸置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的六自由度振動(dòng)微分方程如下：

(1)

式中：M，C，K分別為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣和剛度矩陣。X為動(dòng)力總成質(zhì)心的位移向量，XT=(x，y，z，α，β，γ)， 其中x，y，z分別為動(dòng)力總成質(zhì)心沿X，Y，Z軸的平動(dòng)位移，α，β，γ為動(dòng)力總成質(zhì)心繞X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

汽車(chē)啟停時(shí)的沖擊與振動(dòng)主要來(lái)自動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，特別是在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)速較低，燃燒壓力產(chǎn)生的力矩是汽車(chē)啟動(dòng)振動(dòng)的主要激勵(lì)源，這時(shí)作用在曲軸上的交變扭矩可以寫(xiě)成[5]

(2)

式中：Tct為曲軸的力矩；Texcit為激勵(lì)力力矩；Icrank為包括往復(fù)部件和旋轉(zhuǎn)部件的等效慣量；θcrank為曲軸的旋轉(zhuǎn)角度。

發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力可以簡(jiǎn)化為：

Fe=[0,0,0,0,Tct,0]

(3)

在上述發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激勵(lì)下，通過(guò)方程(1)可以求解出動(dòng)力總成質(zhì)心的位移、速度和加速度。懸置系統(tǒng)中第i個(gè)懸置在動(dòng)力總成坐標(biāo)系下的平動(dòng)位移可表示為：

(4)

(5)

懸置i在主動(dòng)端的加速度可表示為：

(6)

發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)動(dòng)力總成的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，主要采用如下評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(1) 動(dòng)力總成的沖擊度

動(dòng)力總成的沖擊度為動(dòng)力總成質(zhì)心俯仰角加速度的導(dǎo)數(shù)[7]來(lái)表示，單位為rad/s3。

(7)

(2) 懸置的動(dòng)態(tài)支反力

在車(chē)身傳函不變的情況下，降低懸置的動(dòng)態(tài)支反力可減小車(chē)身振動(dòng)。汽車(chē)啟動(dòng)主要是一個(gè)縱向沖擊，因此通過(guò)計(jì)算懸置X向(汽車(chē)坐標(biāo)系)的動(dòng)態(tài)支反力可以直觀評(píng)價(jià)添加半主動(dòng)阻尼拉桿對(duì)汽車(chē)啟動(dòng)振動(dòng)的影響。

(3) 動(dòng)力總成質(zhì)心的X向加速度

評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng)大小，一般可采用車(chē)身縱向加速度表示。由Lee的研究可知，發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，離合器還沒(méi)有結(jié)合，輪胎的作用力為零，車(chē)身和動(dòng)力總成質(zhì)心縱向加速度可表示為方程(8)。因此動(dòng)力總成質(zhì)心X向加速度可作為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(8)

式中：Mpt為動(dòng)力總成的質(zhì)量;Mbody為車(chē)身的質(zhì)量。

(4) 懸置主動(dòng)端的振動(dòng)劑量值(Vibration Dose Value，VDV)

VDV用來(lái)評(píng)價(jià)瞬態(tài)工況下的振動(dòng)品質(zhì)，定義為懸置主動(dòng)端加速度四次方在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)積分的1/4次冪，單位為ms-1.75[8]。

(9)

2 半主動(dòng)阻尼拉桿的動(dòng)態(tài)特性

半主動(dòng)阻尼拉桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由電磁閥和缸體兩部分組成。兩端分別通過(guò)襯套與發(fā)動(dòng)機(jī)和副車(chē)架相連。在汽車(chē)啟停時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器將啟動(dòng)機(jī)或曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給汽車(chē)ECU進(jìn)行分析和處理，ECU通過(guò)CANBUS總線將電磁閥與車(chē)載電源接通，此時(shí)電磁閥通電，閥芯14向下移動(dòng)堵住外通道9，半主動(dòng)阻尼拉桿中的油液主要通過(guò)圖2中的運(yùn)動(dòng)活塞上的小阻尼孔流動(dòng)產(chǎn)生大阻尼，衰減動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的瞬態(tài)沖擊與振動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，為隔離發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)，電磁閥斷電，外通道9打開(kāi)，油液主要通過(guò)外通道流動(dòng)產(chǎn)生較小的動(dòng)剛度和阻尼。

1.橡膠襯套 2.高壓氮?dú)?3.浮動(dòng)活塞 4.壓縮腔 5.運(yùn)動(dòng)活塞 6.復(fù)原腔 7.端蓋 8.阻尼桿 9.外通道 10.電磁閥底座 11.閥芯復(fù)原彈簧 12.導(dǎo)磁鐵 13.線圈 14.閥芯 15.缸體圖2 半主動(dòng)阻尼拉桿實(shí)物 Fig.2 Semi-active hydraulic damper rod

與液壓懸置和橡膠懸置類(lèi)似，半主動(dòng)阻尼拉桿動(dòng)態(tài)特性可通過(guò)動(dòng)剛度和阻尼來(lái)表征[9-10]，圖3給出了阻尼拉桿在振幅為1 mm和4 mm下通電(大阻尼)和斷電(小阻尼)狀態(tài)下的動(dòng)剛度和阻尼系數(shù)隨頻率變化的規(guī)律。由圖可知半主動(dòng)阻尼拉桿的動(dòng)剛度隨頻率增加而增加，大振幅下的動(dòng)剛度大于同頻率下小振幅的動(dòng)剛度。小振幅下的阻尼系數(shù)隨頻率增加逐漸變小，大振幅下的阻尼系數(shù)隨著頻率增加先變小，后變大，最終都保持不變。

圖3 半主動(dòng)阻尼拉桿的動(dòng)剛度和阻尼 Fig.3 Dynamic stiffness and damping coefficient of semi-active hydraulic damper rod

3 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[11-15]，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≥1 Hz，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0.05 mm，激勵(lì)頻率為25 Hz)時(shí)阻尼拉桿的動(dòng)剛度值作為優(yōu)化條件。

3.1 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：

M=Mo(1-e-kt)

(10)

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3 s，Mo=150 N/m。在不同加載速率下，動(dòng)力總成沖擊度如下圖4所示。

由圖4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273 rad/s3減小到27.8 rad/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。

圖4 不同加載速率下的動(dòng)力總成的沖擊度 Fig.4 Powertrain jerk at different load rate

3.2 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(11)，其中名義扭矩為150 Nm，加載速率為10 s-1。由3.1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)圖4。由圖可知阻尼拉桿通電后，沖擊度的峰-峰值相應(yīng)從273 rad/s3變?yōu)?21 rad/s3，峰-峰值降低19%，在第1.5 s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)。

T=150(1-e-10t)

(11)

為進(jìn)一步驗(yàn)證添加阻尼拉桿對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng)的影響，計(jì)算得到的動(dòng)力總成X向加速度，懸置X向動(dòng)態(tài)支反力和懸置VDV值如圖6～圖8所示。

圖5 動(dòng)力總成的沖擊度 Fig.5 Powertrain jerk on two states

圖6 動(dòng)力總成縱向加速度 Fig.6 Powertrain longitudinal acceleration on two states

由圖6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0.42 m/s2，通電后變?yōu)?.35 m/s2，幅值降低17%。由方程(11)中的扭矩-時(shí)間特性知當(dāng)扭矩達(dá)到最大值150 Nm的時(shí)間為0.2 s，此時(shí)，半主動(dòng)阻尼拉桿通電后加速度幅值在第0.2 s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0.5 s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，如圖7所示。

圖7 懸置X向動(dòng)態(tài)支反力 Fig.7 Mount longitudinal dynamic force

由圖7(a)，圖7(b)和圖7(c)可知半主動(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10 N，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320 N降為180 N，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置減小了15 N。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。

圖8 懸置的VDV Fig.8 Mount vibration dose value

由圖8(a)，圖8(b)和圖8(c)可知在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，懸置X向的VDV值在半主動(dòng)阻尼拉桿通電后都得到降低，降幅分別為34%，27%和60%，其中防扭拉桿降幅較為明顯，因此添加半主動(dòng)阻尼拉桿可以減小懸置主動(dòng)端的加速度幅值，減小了振動(dòng)通過(guò)副車(chē)架向車(chē)內(nèi)的傳遞。

4 結(jié) 論

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)。因此，添加半主動(dòng)阻尼拉桿后，可以通過(guò)調(diào)整汽車(chē)ECU，增大發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩的速率，達(dá)到節(jié)油的目的。

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