计算机分析技术在动力总成中的应用

孔 建，苏吉阳，张志浩

（1.烟台工程职业技术学院，山东 烟台 264006；2.厦门技师学院，福建 厦门 361000；3.黄岩第一职业技术学校，浙江 台州 318020）

0 引言

汽车动力总成中涉及到的发动机是汽车的心脏，而变速器是动力传输、变换的中枢，对于整个汽车行业的发展至关重要；这些构件具有机械精度要求高，零件众多，结构复杂，成本昂贵的特点。汽车动力总成中包括了相当部分的高端和核心技术，属于各大汽车公司的核心技术之一，决定了未来其在汽车市场中的竞争力。低油耗、零排放、排量小、功率大已经成为现代汽车产业发展的趋势和潮流。同时汽车产业所具有的技术含量高，初期投入大、后期回报高的特点，使得这一产业的同行多，竞争压力大。传统的研发创新模式已不能适应新的市场需求，通过缩短研发周期开发出质量可靠，节能环保的汽车核心部件显得尤为迫切。使用计算机建模和分析技术能够对汽车动力总成中的详细数字设计、仿真分析、数字样机的数字化制造的各个阶段实现无图纸化。

1 动力总成悬置系统建模

经过20多年的发展，计算机辅助设计和工程在现代汽车动力总成研发和制造中已逐步占据主导地位，必将在未来的发展中发挥越来越大的作用。

建模是动力总成进行后续计算机分析的前提，很大程度上决定了分析的可靠性和准确性，而根据具体的工作情况选用恰当的理论建立模型能够适应实际分析需求。20世纪70年代末期，液压悬置由于具有的隔振、减震、降噪等优点，使得其成为一种主流的动力总成悬置方式之一。应用计算机进行液压悬置动力总成建模中，黄鼎友[1]等采用了6自由度的力学模型由3个悬置组成，包括2个液压悬置和1个橡胶悬置，其力学模型如图2所示。

结合液压悬置和橡胶悬置优点而形成的适合各种不同车型的个性悬置系统，另一种新型悬置系统中，采用右悬置为液压悬，左右悬置为橡胶悬置的发动机横置式3点布置[2]。其中，不同于以往的六自由度数学模型，橡胶悬置采用能够更好反应系统幅变特性和频变特性的Maxwell进行建模，图3为其悬置力学模型。

键合图在动态特性分析方面具有其独特的特点和优势，应用键合图建立的汽车动力总成的力学模型和数学模型能够够好的反应部件的动态特性[3]，采用Matlab中的SMULINK进行动力总成仿真也能够得到与试验吻合良好的结果。周美兰等[4]在动力总成建模中是以能量传递的以前向传递为辅后向传递为主作为基础。其建立的单周并联式汽车动力总成模型是在对ADVISOR进行二次开发以后建立起来的。在自主开发的SMMOUNT软件上，史文库等[5]建立了动力总成的空间六自由度总成系统，来进行起性能分析和优化设计。混合动力汽车由于采用复合动力，要求发动机、电池和电机间工作更协调。这就对整车控制器提出更高的要求。立足于这种现实需求，荆新超等建立了汽车整车控制器各部分硬件的在环仿真系统，对进行匹配运行仿真[6]。动力总成悬置部件也是研究的重点，如通过建立橡胶悬置中主簧的三维有限元模型，分析单元特性对有限元分析结果的影响。在汽车动力总成悬置系统建模中，通常采用液压悬置和橡胶悬置相结合的模式，使得所建立的模型无限接近于动力总成悬置系统的实际工况。也可针对不同的模型，进行软件的二次开发或者自主开发，使得建立的模型更加具体化、实际化，而近些年来学者研究的建模主要为采用六自由度的数学模型、Maxiwell等。

2 动力总成悬置系统的工程分析

2.1 动力总成系统解耦

汽车在行驶过程中，要尽量使其振动幅度维持在小范围以内。而通过解耦分析，既可以使自身的振动量维持在合理范围以内，又可避免出现共振。而在进行动力总成系统解耦是，能量解耦法应用较为普遍。在汽车动力总成悬置系统的设计中，要尽量避免其它模态频率与汽车动力总成的固有频率相同或者接近而使整车在行驶过程中发生共振，也就是在动力总成设计阶段，使其具有较高的模态解耦程度。建立动力总成悬置系统六自由度数学振动模型，如图4所示。应用模态分析软件求出悬置系统的固有频率和振型，然后导入Matlab软件进行解耦分析，最终使得系统在各个方向上的解耦率达到90%以上[7]。

隔振性能是衡量汽车解耦程度的一项重要指标，通过预先设置刚度参数和悬置位置参数作为系统的变量对汽车动力总成进行能量解耦率的优化设计，李楠等[12]研究了悬置元件安装位置约束范围对系统能量解耦率的影响；通过分析表明在不影响动力总成紧凑型的前提下，系统能量解耦率可通过增大安装位置约束范围的方法得以提高。幅变特性和频变特性能够在线性化的Maxwell汽车动力总成悬置系统中得到较好的反应。应用能量解耦法可得到各阶模态较高程度的解耦，降低汽车在行驶过程中的振动幅度[2]。通过计算机工程分析软件不仅可以设计汽车动力总成，也可对已有汽车动力总成进行故障分析、排除和产品的改进。针对某种微型车在工作状态下振动加剧的现状，吴继祥等采用Abaqus和Hyper-Works建立了其动力总成悬置系统支架的有限元模型。然后对该有限元模型进行模态分析，发现其固有频率和发动机的转动速度存在着很大范围的重合，从而引发了共振。在对该支架进行设计改进后，使得其固有频率发生了变化，从而反馈指导产品的生产[9]。

在应用计算机软件进行动力总成解耦过程中，建立不同的模型会对解耦效果产生不同的影响。应尽可能使得所建模型反应动力总成自身的特性和工作特点，如Maxwell模型能够较好的反应部件的幅变特性和频变特性，功率键合图能够较好的反应动态系统的特点等。

2.2 动力总成系统的仿真

应用计算机软件来进行动力总成系统性能优化是其在动力总成中的一巨大优势。汽车自身的特点、工作状况以及消费者对于高质量产品的需求要求动力总成在满足使用要求的前提下，尽可能的达到动力强劲、占用空间小、振动小、噪音低等要求。随着计算机软件的进一步发展，产品大部分的性能均可进行模拟，经过反复的改动和模拟，最终达到优化的目的。随着能源排放压力的增大，混合动力汽车得到了快速的发展，与传统的柴油、汽油汽车不同动力总成悬置系统不同，油电混合动力汽车对动力总成提出了更高的要求，将传统的动力总成改装成混合动力汽车所需的动力总成具有广阔的应用前景。吴彤峰等[8]应用美国再生能源实验室在Matlab/SMULINK基础上进行二次开发的ADVISOR软件，通过进行系统仿真得到混合动力汽车各部件的性能参数，再应用具有该参数的各部件进行相互之间的能源匹配。仿真结果表明：将微型客车改装成并联混合动力电动客车在理论上是可行的，其改装后的汽车的综合性能指数要优于原车型的性能。

汽车动力总成由于采用弹性的液压悬置或者是橡胶悬置，且其经常工作在运动状态下，弹性支撑的动力总成在各种冲击振动作用下引起的位置改变可能导致其与周边的构件发生运动干涉。为防止运动干涉的产生，通常采用计算机性能仿真的方法，得出动力总成在各个方向上的振幅，然后进行动力总成周边部件的设计，预留出振动所需空间[1]。然而此种方法可能会增大动力总成的运动空间，影响其紧凑型。对此，胡宁[10]等提出了应用CATIA提供的CAA用户开发借口，以计算机对动力总成的运动状态仿真结果作为输入，分析汽车动力总成动态包络面，从而避免了后期的开发风险。通过对动力总成数模位置、姿态的自动变换、数模的简化，大大的节省了数据存储所需空间，降低了对计算机硬件的要求。也有部分学者研究了动力总成中某个部件的参数变化对整体的影响，梁天也等[11]采用ABUQAS有限元分析软件建立了橡胶悬置主簧的三维分析模型，分析不同的单元类型对橡胶主簧会产生什么样的影响。通过研究分析表明不同的单元类型和网格密度对结算结果的准确性也会产生一定的影响，所以应合理的选取单元类型和网格划分形式，以期能够得到较为合理的分析结果。

目前的汽车动力总成研究主要集中在通过建立模型进行仿真来提高悬置系统的悬置性能；应用仿真软件模拟动力总成的振动方向及其大小以避免发生干涉；通过开发动力总成各部件的模型，进行系统运行仿真等。Matlab是进行系统仿真应用最广泛的软件。于此同时为了使仿真更能适应具体的工作需求，也可对一些现有的成熟商业软件进行二次开发。然而目前汽车动力总成计算机建模和分析方法与实际还存在着差距，还有待完善。

3 结论

本文回顾了近几年来计算机建模和分析技术在汽车动力总成中的应用，主要表现为应常用工程分析软件如Matlab、 MSC/Adams、 CATIA、 Hyperworks， 进行动力总成的模态解耦、振动仿真、性能优化等；以及通过对现有的商业软件的二次开发，如SMMOUT、CAA。还有一部分学者研究了动力总成悬置系统的隔振性能进行了仿真和优化。随着理论知识的不断发展和工程分析软件的不断完善，计算机将在未来的汽车动力总成研发中扮演更加重要的角色。我国未来汽车工业的崛起离不开发动机制造工艺技术的快速提高，而动力总成作为汽车的核心部件，其技术性能对整个汽车产业的发展意义重大。应用计算机进行动力总成的设计和性能优化以逐渐成为一种趋势。

[1]黄鼎友，吉向东.动力总成悬置系统建模及振动分析[J].江苏大学学报，2005，3.

[2]周昌水，邓兆详，孙登兴.动力总成悬置系统的建模与性能优化[J].重庆大学学报，2006，11.

[3]黄鼎友，武玉成.汽车动力总成液压悬置建模与仿真研究[J].拖拉机与农用运输车，2007，4.

[4]周美兰，张宇，王旭东.单轴并联式混合动力汽车动力总成建模与仿真[J].电机与控制学报，2009，13（增 1）.

[5]史文库，洪哲浩，赵涛.汽车动力总成悬置系统多目标优化设计及软件开发[J].吉林大学学报（工学版），2006，5.

[6]荆新超，敖国强，朱建新，等.混合动力汽车动力总成硬件在环仿真系统开发[J].车用发动机，2006，6.

[7]马斌，张立军，张维晓.汽车动力总成悬置系统的解耦分析[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2010，6.

[8]吴彤峰，过磊，李新春，等.基于ADVISOR的混合动力汽车总成参数选择与仿真[J].河南大学学报（自然科学版），2006，3.

[9]吴继祥，汪洋，卢剑伟.基于HyperWorks的汽车动力总成悬置支架的仿真分析[J].湖北汽车工业学院学报，2010，3.

[10]胡宁，尹鹏和，高卫民，等.汽车动力总成动态干涉校验仿真中的包络分析[J].图学学报，2012，3.

[11]梁天也，史文库，马闯.汽车动力总成液压悬置橡胶主簧静特性有限元分析[J].振动与冲击，2007，9.

[12]李楠，简晓春，张超.动力总成悬置系统优化与仿真分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012，1.