發動機啟停時動力總成懸置系統的設計方法研究

平立芳 王立維 楊洋

摘? 要：減小發動機油耗成為人們日益關注的問題，調整發動機的控制單元，縮短發動機達到最大扭矩的時間，是減少發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）：當發動機需要啟動時，由電機給發動機施加一個很大的瞬態扭矩，啟動發動機，當汽車遇到紅燈停止時，發動機停止工作。采用以上技術，在降低發動機油耗的同時，導致了動力總成的振動加劇，尤其是發動機啟停時，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;剛度;模態

引言

動力總成懸置系統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，對懸置系統參數進行優化匹配，具有重要的學術和應用價值。目前懸置系統優化設計大都采用6自由度模型，通過對動力總成6階剛體模態的解耦，優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的優化設計主要局限于懸置等子系統的設計與優化，對考慮動力總成的激勵特性、振動噪聲的傳遞路徑和車內振動噪聲的整體優化研究較少。

1某平臺動力總成懸置系統模塊化設計

1.1某平臺懸置系統設計

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動力，動力總成懸置系統采用三點支撐布置形式，其中1.0T及1.5L右側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動力總成懸置系統的基本原理

動力總成懸置系統主要是由剛性支架和彈性支承裝置兩部分組成，承擔著發動機、變速器、離合器的重量和沖擊載荷，同時要減少發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性能通常用傳遞β來衡量，也就是把來自發動機的振動通過懸置系統傳遞到車架的數量。當β>1 時，表示懸置系統正在增加來自發動機的振動，其自振頻率接近于發動機的點火頻率，從而產生共振。當β<1 時，表示懸置系統正在減少來自發動機的振動，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。

發動機的振動主要來源于兩處，一是由氣缸內點火燃燒，曲軸輸出脈沖扭矩引起的激擾;二是由發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。發動機在怠速和額定功率時是共振的易發區，所以在設計時都要考慮。

2發動機啟停時動力總成懸置系統的振動分析

由上節內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，根據動力總成懸置系統的設計理論和方法，從懸置系統的固有頻率和解耦的角度出發，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，優化半主動阻尼拉桿的安裝位置。發動機懸置，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臺架上測試的動態特性數據，選擇在怠速工況（懸置系統的振幅為0.05mm，激勵頻率為25Hz）時阻尼拉桿的動剛度值作為優化條件。

2.1發動機轉矩上升速率不同時動力總成的振動響應

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

式中：k為轉矩加載速率;Mo為發動機名義扭矩。通過發動機管理系統（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的振動特性。一般而言，加載速率k越小，即啟動時間越長，發動機在啟停時的振動越小。假定發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動機轉矩的加載速率，降低發動機啟動時動力總成的振動。但為了降低發動機啟動時的油耗，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。因此在原懸置系統中添加半主動阻尼拉桿后，通過系統動態響應計算，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變為221rad/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時，降低了發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，通電后變為35m/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。動力總成懸置系統添加半主動阻尼拉桿后，計算得到懸置系統X方向的載荷，半主動阻尼拉桿不通電時，懸置的動態力在變化過程中波動較大。通電后，懸置動態支反力增加幅度更加平緩，減小了沖擊。同時，懸置系統X向動態支反力峰值都得到降低。當激勵力矩穩定后，除變速箱懸置動態支反力增加了10N，發動機懸置和防扭拉桿都得到降低，防扭拉桿動態支反力峰值從320N降為180N，發動機懸置減小了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

本文在分析發動機啟停時激勵力的基礎上，提出發動機啟停時動力總成懸置系統的動態響應評價指標和計算流程。當發動機啟動扭矩的加載速率較大時，加劇了動力總成振動。添加半主動阻尼拉桿后，通過懸置系統動態響應計算，對比了通電和不通電兩種狀態下動力總成的縱向加速度，沖擊度，懸置X向的動態支反力和VDV四個指標。結果表明添加半主動阻尼拉桿后，這些指標值都得到降低，即減小了汽車啟停時的振動。

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