計算機分析技術在動力總成中的應用

孔 建，蘇吉陽，張志浩

（1.煙臺工程職業技術學院，山東 煙臺 264006；2.廈門技師學院，福建 廈門 361000；3.黃巖第一職業技術學校，浙江 臺州 318020）

0 引言

汽車動力總成中涉及到的發動機是汽車的心臟，而變速器是動力傳輸、變換的中樞，對于整個汽車行業的發展至關重要；這些構件具有機械精度要求高，零件眾多，結構復雜，成本昂貴的特點。汽車動力總成中包括了相當部分的高端和核心技術，屬于各大汽車公司的核心技術之一，決定了未來其在汽車市場中的競爭力。低油耗、零排放、排量小、功率大已經成為現代汽車產業發展的趨勢和潮流。同時汽車產業所具有的技術含量高，初期投入大、后期回報高的特點，使得這一產業的同行多，競爭壓力大。傳統的研發創新模式已不能適應新的市場需求，通過縮短研發周期開發出質量可靠，節能環保的汽車核心部件顯得尤為迫切。使用計算機建模和分析技術能夠對汽車動力總成中的詳細數字設計、仿真分析、數字樣機的數字化制造的各個階段實現無圖紙化。

1 動力總成懸置系統建模

經過20多年的發展，計算機輔助設計和工程在現代汽車動力總成研發和制造中已逐步占據主導地位，必將在未來的發展中發揮越來越大的作用。

建模是動力總成進行后續計算機分析的前提，很大程度上決定了分析的可靠性和準確性，而根據具體的工作情況選用恰當的理論建立模型能夠適應實際分析需求。20世紀70年代末期，液壓懸置由于具有的隔振、減震、降噪等優點，使得其成為一種主流的動力總成懸置方式之一。應用計算機進行液壓懸置動力總成建模中，黃鼎友[1]等采用了6自由度的力學模型由3個懸置組成，包括2個液壓懸置和1個橡膠懸置，其力學模型如圖2所示。

結合液壓懸置和橡膠懸置優點而形成的適合各種不同車型的個性懸置系統，另一種新型懸置系統中，采用右懸置為液壓懸，左右懸置為橡膠懸置的發動機橫置式3點布置[2]。其中，不同于以往的六自由度數學模型，橡膠懸置采用能夠更好反應系統幅變特性和頻變特性的Maxwell進行建模，圖3為其懸置力學模型。

鍵合圖在動態特性分析方面具有其獨特的特點和優勢，應用鍵合圖建立的汽車動力總成的力學模型和數學模型能夠夠好的反應部件的動態特性[3]，采用Matlab中的SMULINK進行動力總成仿真也能夠得到與試驗吻合良好的結果。周美蘭等[4]在動力總成建模中是以能量傳遞的以前向傳遞為輔后向傳遞為主作為基礎。其建立的單周并聯式汽車動力總成模型是在對ADVISOR進行二次開發以后建立起來的。在自主開發的SMMOUNT軟件上，史文庫等[5]建立了動力總成的空間六自由度總成系統，來進行起性能分析和優化設計。混合動力汽車由于采用復合動力，要求發動機、電池和電機間工作更協調。這就對整車控制器提出更高的要求。立足于這種現實需求，荊新超等建立了汽車整車控制器各部分硬件的在環仿真系統，對進行匹配運行仿真[6]。動力總成懸置部件也是研究的重點，如通過建立橡膠懸置中主簧的三維有限元模型，分析單元特性對有限元分析結果的影響。在汽車動力總成懸置系統建模中，通常采用液壓懸置和橡膠懸置相結合的模式，使得所建立的模型無限接近于動力總成懸置系統的實際工況。也可針對不同的模型，進行軟件的二次開發或者自主開發，使得建立的模型更加具體化、實際化，而近些年來學者研究的建模主要為采用六自由度的數學模型、Maxiwell等。

2 動力總成懸置系統的工程分析

2.1 動力總成系統解耦

汽車在行駛過程中，要盡量使其振動幅度維持在小范圍以內。而通過解耦分析，既可以使自身的振動量維持在合理范圍以內，又可避免出現共振。而在進行動力總成系統解耦是，能量解耦法應用較為普遍。在汽車動力總成懸置系統的設計中，要盡量避免其它模態頻率與汽車動力總成的固有頻率相同或者接近而使整車在行駛過程中發生共振，也就是在動力總成設計階段，使其具有較高的模態解耦程度。建立動力總成懸置系統六自由度數學振動模型，如圖4所示。應用模態分析軟件求出懸置系統的固有頻率和振型，然后導入Matlab軟件進行解耦分析，最終使得系統在各個方向上的解耦率達到90%以上[7]。

隔振性能是衡量汽車解耦程度的一項重要指標，通過預先設置剛度參數和懸置位置參數作為系統的變量對汽車動力總成進行能量解耦率的優化設計，李楠等[12]研究了懸置元件安裝位置約束范圍對系統能量解耦率的影響；通過分析表明在不影響動力總成緊湊型的前提下，系統能量解耦率可通過增大安裝位置約束范圍的方法得以提高。幅變特性和頻變特性能夠在線性化的Maxwell汽車動力總成懸置系統中得到較好的反應。應用能量解耦法可得到各階模態較高程度的解耦，降低汽車在行駛過程中的振動幅度[2]。通過計算機工程分析軟件不僅可以設計汽車動力總成，也可對已有汽車動力總成進行故障分析、排除和產品的改進。針對某種微型車在工作狀態下振動加劇的現狀，吳繼祥等采用Abaqus和Hyper-Works建立了其動力總成懸置系統支架的有限元模型。然后對該有限元模型進行模態分析，發現其固有頻率和發動機的轉動速度存在著很大范圍的重合，從而引發了共振。在對該支架進行設計改進后，使得其固有頻率發生了變化，從而反饋指導產品的生產[9]。

在應用計算機軟件進行動力總成解耦過程中，建立不同的模型會對解耦效果產生不同的影響。應盡可能使得所建模型反應動力總成自身的特性和工作特點，如Maxwell模型能夠較好的反應部件的幅變特性和頻變特性，功率鍵合圖能夠較好的反應動態系統的特點等。

2.2 動力總成系統的仿真

應用計算機軟件來進行動力總成系統性能優化是其在動力總成中的一巨大優勢。汽車自身的特點、工作狀況以及消費者對于高質量產品的需求要求動力總成在滿足使用要求的前提下，盡可能的達到動力強勁、占用空間小、振動小、噪音低等要求。隨著計算機軟件的進一步發展，產品大部分的性能均可進行模擬，經過反復的改動和模擬，最終達到優化的目的。隨著能源排放壓力的增大，混合動力汽車得到了快速的發展，與傳統的柴油、汽油汽車不同動力總成懸置系統不同，油電混合動力汽車對動力總成提出了更高的要求，將傳統的動力總成改裝成混合動力汽車所需的動力總成具有廣闊的應用前景。吳彤峰等[8]應用美國再生能源實驗室在Matlab/SMULINK基礎上進行二次開發的ADVISOR軟件，通過進行系統仿真得到混合動力汽車各部件的性能參數，再應用具有該參數的各部件進行相互之間的能源匹配。仿真結果表明：將微型客車改裝成并聯混合動力電動客車在理論上是可行的，其改裝后的汽車的綜合性能指數要優于原車型的性能。

汽車動力總成由于采用彈性的液壓懸置或者是橡膠懸置，且其經常工作在運動狀態下，彈性支撐的動力總成在各種沖擊振動作用下引起的位置改變可能導致其與周邊的構件發生運動干涉。為防止運動干涉的產生，通常采用計算機性能仿真的方法，得出動力總成在各個方向上的振幅，然后進行動力總成周邊部件的設計，預留出振動所需空間[1]。然而此種方法可能會增大動力總成的運動空間，影響其緊湊型。對此，胡寧[10]等提出了應用CATIA提供的CAA用戶開發借口，以計算機對動力總成的運動狀態仿真結果作為輸入，分析汽車動力總成動態包絡面，從而避免了后期的開發風險。通過對動力總成數模位置、姿態的自動變換、數模的簡化，大大的節省了數據存儲所需空間，降低了對計算機硬件的要求。也有部分學者研究了動力總成中某個部件的參數變化對整體的影響，梁天也等[11]采用ABUQAS有限元分析軟件建立了橡膠懸置主簧的三維分析模型，分析不同的單元類型對橡膠主簧會產生什么樣的影響。通過研究分析表明不同的單元類型和網格密度對結算結果的準確性也會產生一定的影響，所以應合理的選取單元類型和網格劃分形式，以期能夠得到較為合理的分析結果。

目前的汽車動力總成研究主要集中在通過建立模型進行仿真來提高懸置系統的懸置性能；應用仿真軟件模擬動力總成的振動方向及其大小以避免發生干涉；通過開發動力總成各部件的模型，進行系統運行仿真等。Matlab是進行系統仿真應用最廣泛的軟件。于此同時為了使仿真更能適應具體的工作需求，也可對一些現有的成熟商業軟件進行二次開發。然而目前汽車動力總成計算機建模和分析方法與實際還存在著差距，還有待完善。

3 結論

本文回顧了近幾年來計算機建模和分析技術在汽車動力總成中的應用，主要表現為應常用工程分析軟件如Matlab、 MSC/Adams、 CATIA、 Hyperworks， 進行動力總成的模態解耦、振動仿真、性能優化等；以及通過對現有的商業軟件的二次開發，如SMMOUT、CAA。還有一部分學者研究了動力總成懸置系統的隔振性能進行了仿真和優化。隨著理論知識的不斷發展和工程分析軟件的不斷完善，計算機將在未來的汽車動力總成研發中扮演更加重要的角色。我國未來汽車工業的崛起離不開發動機制造工藝技術的快速提高，而動力總成作為汽車的核心部件，其技術性能對整個汽車產業的發展意義重大。應用計算機進行動力總成的設計和性能優化以逐漸成為一種趨勢。

[1]黃鼎友，吉向東.動力總成懸置系統建模及振動分析[J].江蘇大學學報，2005，3.

[2]周昌水，鄧兆詳，孫登興.動力總成懸置系統的建模與性能優化[J].重慶大學學報，2006，11.

[3]黃鼎友，武玉成.汽車動力總成液壓懸置建模與仿真研究[J].拖拉機與農用運輸車，2007，4.

[4]周美蘭，張宇，王旭東.單軸并聯式混合動力汽車動力總成建模與仿真[J].電機與控制學報，2009，13（增 1）.

[5]史文庫，洪哲浩，趙濤.汽車動力總成懸置系統多目標優化設計及軟件開發[J].吉林大學學報（工學版），2006，5.

[6]荊新超，敖國強，朱建新，等.混合動力汽車動力總成硬件在環仿真系統開發[J].車用發動機，2006，6.

[7]馬斌，張立軍，張維曉.汽車動力總成懸置系統的解耦分析[J].遼寧工業大學學報（自然科學版），2010，6.

[8]吳彤峰，過磊，李新春，等.基于ADVISOR的混合動力汽車總成參數選擇與仿真[J].河南大學學報（自然科學版），2006，3.

[9]吳繼祥，汪洋，盧劍偉.基于HyperWorks的汽車動力總成懸置支架的仿真分析[J].湖北汽車工業學院學報，2010，3.

[10]胡寧，尹鵬和，高衛民，等.汽車動力總成動態干涉校驗仿真中的包絡分析[J].圖學學報，2012，3.

[11]梁天也，史文庫，馬闖.汽車動力總成液壓懸置橡膠主簧靜特性有限元分析[J].振動與沖擊，2007，9.

[12]李楠，簡曉春，張超.動力總成懸置系統優化與仿真分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012，1.