发动机启停时动力总成悬置系统的设计方法研究

平立芳 王立维 杨洋

摘  要：减小发动机油耗成为人们日益关注的问题，调整发动机的控制单元，缩短发动机达到最大扭矩的时间，是减少发动机燃油消耗的措施之一。另外一个措施是采用启停技术（Start-Stop）：当发动机需要启动时，由电机给发动机施加一个很大的瞬态扭矩，启动发动机，当汽车遇到红灯停止时，发动机停止工作。采用以上技术，在降低发动机油耗的同时，导致了动力总成的振动加剧，尤其是发动机启停时，汽车车身的纵向振动加剧。

关键词：模块化设计;动力总成悬置系统;刚度;模态

引言

动力总成悬置系统对动力总成的隔振以及整车舒适性起着关键作用，考虑多个设计目标，对悬置系统参数进行优化匹配，具有重要的学术和应用价值。目前悬置系统优化设计大都采用6自由度模型，通过对动力总成6阶刚体模态的解耦，优化各悬置在线性段的刚度、安装位置和安装角度。对于汽车动力总成悬置系统的优化设计主要局限于悬置等子系统的设计与优化，对考虑动力总成的激励特性、振动噪声的传递路径和车内振动噪声的整体优化研究较少。

1某平台动力总成悬置系统模块化设计

1.1某平台悬置系统设计

本文所研究的汽车平台包括Car、MPV及SUV三种车型，共搭载1.2L、1.0T和1.5L三种发动机，以及SH21M5、SH21M6、SH31M6B和SH31M64种变速器。各车型与动力总成的匹配关系如表1所示：本平台搭载的动力总成均为前置前驱动力，动力总成悬置系统采用三点支撑布置形式，其中1.0T及1.5L右侧Eng悬置为液压悬置，其余为橡胶悬置。本平台悬置布置形式如图1所示。为了降低研发成本，提高效率，本平台所有车型前车体大梁以及副车架为共用件。

1.2动力总成悬置系统的基本原理

动力总成悬置系统主要是由刚性支架和弹性支承装置两部分组成，承担着发动机、变速器、离合器的重量和冲击载荷，同时要减少发动机工作时的振动和噪声，限制动力总成的最大位移，避免与周边零部件干涉悬置系统性能通常用传递β来衡量，也就是把来自发动机的振动通过悬置系统传递到车架的数量。当β>1 时，表示悬置系统正在增加来自发动机的振动，其自振频率接近于发动机的点火频率，从而产生共振。当β<1 时，表示悬置系统正在减少来自发动机的振动，起到了隔振作用。所以设计悬置时，首先要考虑发动机的点火频率，避开共振点。

动力总成悬置应该具有良好的隔振作用，一方面，它要阻止作为振源的发动机相车架传递振动力，这类形式称为主动隔振;另一方面，悬置必须阻止路面不平激励等传给发动机的振动和冲击，并使动力总成作为动力吸振器来衰减车架的振动能量，这种隔振形式称作被动隔振。因此悬置具有双向隔振的特性。

发动机的振动主要来源于两处，一是由气缸内点火燃烧，曲轴输出脉冲扭矩引起的激扰;二是由发动机往复运动的活塞和连杆等造成的惯性力不平衡的垂直振动。发动机在怠速和额定功率时是共振的易发区，所以在设计时都要考虑。

2发动机启停时动力总成悬置系统的振动分析

由上节内容可知半主动阻尼拉杆与悬置类似，是具有一定刚度和阻尼的元件，本文把阻尼拉杆当成第四点悬置，根据动力总成悬置系统的设计理论和方法，从悬置系统的固有频率和解耦的角度出发，使各向固有频率间隔≥1Hz，各向解耦率≥85%，悬置各向动静比取1.4，优化半主动阻尼拉杆的安装位置。发动机悬置，变速箱悬置和防扭拉杆的动刚度及安装位置由测试获取。通过半主动阻尼拉杆在MTS831台架上测试的动态特性数据，选择在怠速工况（悬置系统的振幅为0.05mm，激励频率为25Hz）时阻尼拉杆的动刚度值作为优化条件。

2.1发动机转矩上升速率不同时动力总成的振动响应

发动机启动时，其主要激励为发动机绕曲轴方向的激励，对发动机的扭矩-时间的关系，做如下定义：

式中：k为转矩加载速率;Mo为发动机名义扭矩。通过发动机管理系统（EMS）改变扭矩加载速率k的大小，可以改变动力总成悬置系统的振动特性。一般而言，加载速率k越小，即启动时间越长，发动机在启停时的振动越小。假定发动机启动时响应时间为3s，Mo=150N/m。在不同加载速率下，动力总成冲击度如下图所示。由图可知当发动机加载速率由k=10减小为k=1时，冲击度的峰-峰值从273rad/s3减小到27.8rad/s3。加載速率越小，冲击度幅值越小。因此可以通过减小发动机转矩的加载速率，降低发动机启动时动力总成的振动。但为了降低发动机启动时的油耗，加载速率一般不宜太小

2.2半主动阻尼拉杆的应用

发动机启动时，令启动扭矩为式，其中名义扭矩为150Nm，加载速率为10s-1。由2.1节可知加载速率较大时，会加剧动力总成的冲击与振动。因此在原悬置系统中添加半主动阻尼拉杆后，通过系统动态响应计算，动力总成的冲击度见上图。由图可知阻尼拉杆通电后，冲击度的峰-峰值相应从273rad/s3变为221rad/s3，峰-峰值降低19%，在第1.5s冲击度幅值衰减为零。因此半主动阻尼拉杆处于通电状态时，降低了发动机启动时动力总成的振动。

由图可知半主动阻尼拉杆不通电时动力总成X向加速度峰-峰值为0.42m/s2，通电后变为35m/s2，幅值降低17%。

由方程中的扭矩-时间特性知当扭矩达到最大值150Nm的时间为0.2s，此时，半主动阻尼拉杆通电后加速度幅值在第0.2s达到峰值，随后衰减。而不通电时，半主动阻尼拉杆的加速度峰值在第0.5s附近达到最大值，说明利用半主动阻尼拉杆的大阻尼可以迅速衰减启动时的冲击。动力总成悬置系统添加半主动阻尼拉杆后，计算得到悬置系统X方向的载荷，半主动阻尼拉杆不通电时，悬置的动态力在变化过程中波动较大。通电后，悬置动态支反力增加幅度更加平缓，减小了冲击。同时，悬置系统X向动态支反力峰值都得到降低。当激励力矩稳定后，除变速箱悬置动态支反力增加了10N，发动机悬置和防扭拉杆都得到降低，防扭拉杆动态支反力峰值从320N降为180N，发动机悬置减小了15N。其原因为半主动阻尼拉杆在通电时的大阻尼降低了动力总成质心的位移，导致悬置X向位移减小所致。

结束语

本文在分析发动机启停时激励力的基础上，提出发动机启停时动力总成悬置系统的动态响应评价指标和计算流程。当发动机启动扭矩的加载速率较大时，加剧了动力总成振动。添加半主动阻尼拉杆后，通过悬置系统动态响应计算，对比了通电和不通电两种状态下动力总成的纵向加速度，冲击度，悬置X向的动态支反力和VDV四个指标。结果表明添加半主动阻尼拉杆后，这些指标值都得到降低，即减小了汽车启停时的振动。

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