摘要：為解決某新開發(fā)SUV的整車啟動振動大的問題，該文根據(jù)對動力總成懸置系統(tǒng)彈性軸與扭矩軸的理論分析，運用ADAMS軟件建立了整車剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?，利用MATLAB編程提取啟動瞬態(tài)激勵并加載到模型里進行仿真，經(jīng)與試驗數(shù)據(jù)對比，仿真精度達到90％以上，準確地預測出懸置系統(tǒng)剛度對整車啟動振動的影響。通過優(yōu)化懸置剛度，車內(nèi)振動降低了50％，使啟動振動得到了有效控制，該方法的建立為控制整車啟動振動提供了新思路。

關鍵詞：汽車動力總成；懸置系統(tǒng)；啟動工況；彈性軸；扭矩軸汽車在啟動、怠速及加速行駛等各種工況下良好的平順性和低噪聲是評判現(xiàn)代汽車質(zhì)量優(yōu)劣的重要標志11I。懸置系統(tǒng)除了支撐動力總成和限制動力總成的位移外，還要隔離發(fā)動機和路面在不同工況下的振動。這就要求懸置的剛度不僅要滿足小振幅工況下的隔振，還要滿足大振幅工況下的限位作用。目前，國內(nèi)外學者通常采用能量解耦法及動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)頻率分布為優(yōu)化目標，主要針對怠速工況進行優(yōu)化設計，對啟動過程中懸置系統(tǒng)的影響研究很少。文章運用MSCADAMS建立剛?cè)狁詈系姆抡婺Ｐ?，根?jù)發(fā)動機啟動過程中的缸壓變化模擬啟動激勵，通過仿真分析與試驗結(jié)果的對比，驗證了模型的仿真精度，并總結(jié)出橫置動力總成懸置系統(tǒng)對整車啟動工況的影響規(guī)律。

1 理論分析發(fā)動機的啟動過程是較為復雜的瞬態(tài)過程，在整個過程中動力總成產(chǎn)生較大的扭矩波動。從振動機理上分析，啟動振動問題是由動力總成的波動，經(jīng)懸置系統(tǒng)傳遞到車身的過程，因此懸置對啟動振動的抑制及隔離非常重要。若不考慮懸置系統(tǒng)的支撐，動力總成在啟動激勵的作用下會沿某一固定的軸轉(zhuǎn)動，該軸的位置是由動力總成本身的質(zhì)量及慣性參數(shù)決定I引，稱之為扭矩軸，動力總成關于扭矩軸的位移響應表達式，如式(1)所示。

 (式中：HTRA——動力總成關于扭矩軸的位移響應，mm；M一系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；ω——頻率，Hz；fTA——沿曲軸方向的單位扭矩激勵向量，N·m。若忽略動力總成本身參數(shù)的影響，只對懸置系統(tǒng)進行研究，在啟動激勵的作用下，由懸置系統(tǒng)支撐的無質(zhì)量動力總成會繞彈性軸轉(zhuǎn)動，該軸的位置由懸置布置位置、角度及剛度決定，動力總成關于彈性軸的運動響應表達式，如式(2)所示。

式中：HEA——動力總成關于彈性軸的位移響應，mm；[K]懸置系統(tǒng)的剛度矩陣。而實際的啟動過程中，動力總成受到懸置系統(tǒng)的約束，其表現(xiàn)出的響應是2個軸共同作用的結(jié)果，其關系表達式，如式(3)所示。

式中：日——實際工況下動力總成的位移響應，mm。由式(3)分析可知，為了能在傳遞路徑上最大限度地抑制或隔離啟動激勵，需要將懸置系統(tǒng)的彈性軸位置與動力總成的扭矩軸位置重合，但由于懸置的剛度與激振頻率及振幅有關刪，因此啟動過程中彈性軸的位置是隨懸置剛度不斷變化的，用定頻和定振幅下的懸置剛度計算出的彈性軸已不適用于啟動振動的分析。在橫置動力總成三點式懸置系統(tǒng)設計時，一般考慮在XY平面上，將左右懸置布置與扭矩軸重合，且左右懸置位于扭矩軸的上方、后拉桿位于下方，因此在啟動過程中，左右懸置受到的激勵振幅較小，而后拉桿懸置主要在x向起到抗扭的作用，受到的激勵振幅較大。動力總成啟動過程中，懸置處于低頻大振幅振動狀態(tài)，所以用低頻大振幅下的剛度計算彈性軸方向更貼合實際工況。但為了能較簡便的預測出懸置系統(tǒng)對啟動激勵的影響，對啟動至怠速工況下懸置剛度做以下簡化：由于懸置剛度的幅變及頻變特性，在啟動過程中，靜剛度可以作為懸置剛度下限值，頻率為25Hz和振幅為±0．1mm(怠速激勵)的動剛度可以作為懸置剛度上限值，啟動過程中懸置剛度的變化范圍必定處于上下限剛度之間。因此針對啟動激勵，同時考慮動靜剛度對彈性軸方向的影響，并控制懸置系統(tǒng)x向剛度的動靜比，理論上是可以獲得較好的啟動振動。2 仿真模型的建立在MSCADAMS里建立剛?cè)狁詈系姆抡婺Ｐ蜁r，將動力總成視為剛體，用形狀簡單的長方體模擬，通過懸置與車身連接。懸置元件簡化為無質(zhì)量、無扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼的彈性單元，為了能夠準確地描述橡膠懸置的特性，用ADAMS自帶的Bushing模擬懸置。利用有限元分析軟件生成的模態(tài)中性文件建立車身柔性體模型，車身被動側(cè)通過4個Bushing單元與大地連接，由于懸架實際的橫向與縱向剛度較大，將以上4個Bush—ing橫向剛度與縱向剛度取值為垂向剛度的90倍。將動力總成和懸置剛度參數(shù)輸入到模型中，建立懸置系統(tǒng)剛?cè)狁詈戏抡娣治瞿Ｐ?，如圖1所示。

3 啟動激勵的模擬發(fā)動機啟動振動是較為復雜的瞬態(tài)過程，與發(fā)動機電噴控制策略有關，有許多研究人員對此做過詳細的分析，并總結(jié)出活塞初始位置、冷卻液溫度及電機拖動轉(zhuǎn)速對啟動過程的影響規(guī)律【6】，但最重要的影響因素還是缸內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生的發(fā)動機運行阻力矩。由于啟動工況的缸內(nèi)壓力和轉(zhuǎn)速等物理量均是瞬態(tài)變化的，很難用數(shù)學表達式準確地進行描述，因此，需采集實際的發(fā)動機啟動缸壓，并轉(zhuǎn)化為啟動激勵，具體過程為：1)采集啟動過程發(fā)動機缸內(nèi)壓力，如圖2所示；2)在MATLAB里編寫缸壓轉(zhuǎn)化程序，部分程序內(nèi)容，如圖3所示；3)模擬得到便于加載到ADMAS的啟動扭矩曲線，如圖4所示。

4 實例驗證4．1項目背景某款新開發(fā)SUV的橫置動力總成，在懸置匹配中存在啟動時車內(nèi)振動大的問題，對該車進行懸置被動側(cè)和車內(nèi)座椅振動測試，測試結(jié)果如圖5所示。

通過多次試驗測試，該車啟動時車內(nèi)振動最大峰值平均為0．94m／s2，主觀感受啟動振動大且時間較長，經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)懸置被動側(cè)x向振動與車內(nèi)座椅啟動振動有較強的相關性，所以主要從懸置上進行啟動振動的優(yōu)化。4．2仿真分析在對啟動工況仿真時，對該車型進行啟動缸壓測試，經(jīng)轉(zhuǎn)換模擬之后得到啟動激勵曲線(圖4)。設置仿真時間為5s，步長為10000，分別用懸置動剛度和靜剛度來計算后懸置被動側(cè)加速度響應'岡0度參數(shù)設置，如表1所示.

2．1動剛度仿真分析對懸置系統(tǒng)用動剛度進行仿真計算，得到車內(nèi)振動加速度為0．46m／s2，系統(tǒng)的彈性軸與扭矩軸距離為2．45mm，如圖6和圖7所示。從圖7可知，彈性軸與扭矩軸的距離已經(jīng)非常接近，得出的車內(nèi)振動響應也較小，說明動剛度的設計比較合理。

2．2靜剛度仿真分析 對懸置系統(tǒng)用靜剛度進行計算，得到車內(nèi)振動加速度為0．93m／s2，系統(tǒng)的彈性軸與扭矩軸距離為36．74mm，如圖8和圖9所示。從圖9可知，靜剛度下的彈性軸位置偏上，與扭矩軸的距離較遠，得出的車內(nèi)振動響應較大。

由以上分析結(jié)果并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，可以得出：1)用懸置靜剛度仿真計算得出的啟動振動與試驗結(jié)果比較吻合；2)懸置系統(tǒng)彈性軸與扭矩軸的距離會影響啟動振動的峰值大小。因此，為了解決該車型啟動時車內(nèi)振動大的問題，主要優(yōu)化靜剛度下的彈性軸，使其盡量靠近扭矩軸。從圖9可以看出，彈性軸的位置主要由懸置系統(tǒng)的x向剛度決定，當某個懸置的x向剛度變大時，彈性軸就會偏向這個懸置。對圖9所示的彈性軸位置優(yōu)化如下。1)增大后拉桿x向剛度使彈性軸靠近扭矩軸，經(jīng)試驗測試，車內(nèi)啟動振動稍有改善，但由于懸置剛度提高，動力總成模態(tài)變大，怠速工況懸置隔振變差；2)降低左右x向懸置剛度使彈性軸靠近扭矩軸，經(jīng)試驗測試，車內(nèi)啟動振動加速度由原來的0．94m／s2降低到o．47m／s2，而且對怠速工況影響不大。綜合考慮對怠速工況的影響，選取降低左右懸置x向剛度的方法來改善該車型的啟動振動大的問題。優(yōu)化后的結(jié)果也是利用文章提出的方法進行仿真計算的，所以此處不再進行詳細闡述。優(yōu)化前后的結(jié)果對比，如表2所示。

隨著左右懸置x向靜剛度的降低，彈性軸與扭矩軸的距離變小，使整車啟動時的車內(nèi)響應從原來的0．94m／s2降低到0．47m／s2，降幅達到50％，主觀感受改善明顯。另外，仿真精度達到了90％以上，證明該仿真模型及方法的準確性。5 結(jié)論文章從改變懸置系統(tǒng)彈性軸位置的思路出發(fā)，通過調(diào)整懸置剛度，成功地解決了整車啟動振動大的問題。有許多文獻已總結(jié)出彈性軸與扭矩軸理論在整車怠速振動控制中的應用效果，文章驗證了該理論也可以應用到整車啟動振動控制中，并且通過搭建精確的仿真模型預測出整車啟動振動的大小，使啟動問題在項目開發(fā)前期就能通過懸置系統(tǒng)設計進行有效控制。作者：趙珂，鮑金龍等作者單位：長城汽車股份有限公司

來源：汽車工程師