混合动力总成多点悬置参数的匹配方法新探

李忠欣，宋恩栋，叶怀汉，袁卫平

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438）

混合动力总成多点悬置参数的匹配方法新探

李忠欣，宋恩栋，叶怀汉，袁卫平

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438）

传统动力总成悬置参数匹配方法是将动力总成视为单刚体，对轴向较长的混合动力总成，因该方法忽略了其轴向弯曲模态的影响，易造成动力总成轴向振动过大。本文提出将混合动力总成系统分为两个刚体考虑的方法，通过选配合适的悬置刚度参数和试验验证，取得了将轴向振动加速度最大值从22.5 g下降到16.4 g、振动较大点数量大幅减少的效果，有重要的理论意义和实用价值。

动力总成；悬置参数；匹配方法；多刚体

1 问题提出

新型动力系统的动力特性与传统动力总成系统有较大区别，需要设计与之相适应的动力系统参数。本中心在完成某混合动力客车动力总成悬置匹配的工作中发现，采用传统的、将动力总成视为单刚体的悬置匹配方法应用于匹配轴向较长的混合动力总成悬置时，样件试验出现个别悬置点振动加速度过大、无法满足悬置耐久性及动力总成使用要求的情况。本文基于试验结果分析，提出将轴向较长的混合动力总成分为两个刚体，建立动力总成受力模型进行理论分析，并采用能量解析法进行悬置参数选择确定。通过试验验证，解决了原方案中的问题，效果理想。同时说明将轴向较长的动力系统分为两个或多个刚体考虑更为接近实际。

研究对象是安装在台架上的某混合动力客车动力总成悬置系统，主要由发动机、集成启动电机（ISG电机）和主电机组成，布置形式如图1所示。6个悬置分别对称布置在动力总成的左右两侧，从1#到6#进行编号。

将动力总成按照单刚体考虑，根据实际参数设计计算一组悬置参数，并依据解耦计算方法对其进行解耦率计算，结果见表1。满足客车的解耦率要求，Z向在80%以上，其余方向控制在60%以上。

表1 原始悬置系统解耦率

依据设计值制作样件，并搭建了混合动力总成试验台架进行试验验证。试验主要考察动力总成系统发动机满负荷速度特性下，动力总成悬置上下侧的振动情况[1-2]。将振动较大点分成三个区段，分别是8～12 g、12～18 g及＞18 g。

式中：a下为悬置车身连接处振动加速度；a上为悬置动力总成连接处振动加速度。

试验结果表明，所有悬置上下侧振动加速度在速度负荷特性曲线上的均值计算的隔振量均大于60%（隔振量计算方法参见式（1）），满足要求。

试验结果同时显示，1#、2#、3#、4#悬置上下侧在转速为 1700 r/min、2000 r/min、2200 r/min、2300 r/min、2600 r/min左右均有共振现象产生，但其振动加速度幅值均较小，满足要求。但5#、6#悬置上下侧在此工况下振动较强，存在＞18 g的振动点（见图4、图5）。为了确保动力总成长期有效运行，该方案不能进行实际使用。

2 问题分析及建立新模型

通过观察试验中振动的方向，发现较强振动都出现在靠近发动机前端（自由端）的X方向（整车前后方向），传统发动机较少出现这种情况，因此，证明仅仅使用能量解耦法指导动力总成悬置设计存在缺陷。究其原因，是动力总成系统整体长度较大，在悬置参数以及安装姿态没有很好的匹配时，必然在传动轴向发生弯曲，而传统能量解耦法中，将动力总成假设为只有6个自由度的单刚体的假设不能准确反映出此特征。正是由于存在轴线方向的弯曲模态，导致了混合动力总成自由端X方向振动过大。

由于轴向较长的动力总成系统一般会存在弯曲与扭转振动，因此，设计时将其视为单刚体不能准确地反映实际情况。结合试验结果，通过分析认为，如果将动力总成分为一个单自由度上下振动模型和一个传统发动机的模型更为合理。

根据实际的悬置布置情况，将动力总成图1的受力简化为如图2所示的受力模型。此状态是一个超静定问题，而整个动力总成又较长，因此，有一定柔性，故不同的悬置安装会使动力总成处在不同的受力情况下，使动力总成处于不同的平衡状态，在这些平衡状态中必然存在有利于动力总成运行的平衡状态。

将图1中的动力总成从ISG电机和柴油机结合面附近分开，将上述模型转化为一个单自由度上下振动模型（1#和2#悬置支撑主电机和ISG电机）和一个传统发动机的模型（3#、4#、5#、6#支撑柴油机），如图 3 所示，并且认为这个状态是合适的状态。

3 计算模型

3.1 动力总成受力分配

考虑按照图3状态动力总成的受力分配来设计动力总成悬置参数。此时的动力总成垂直方向受力情况可用式（2）描述：

3.2 悬置的参数选取计算

按照振动理论，计算橡胶减振器的主方向上刚度参数的过程如下：

式中：n为发动机怠速转速，取600 r/min；ω为基频；ω/ω0为频率比取2.5、2.0；Kd为受力处竖直向下动刚度，N/m；mi为悬置处竖直向下当量质量mi=Fi/g；g为重力加速度；z为受力点悬置个数，此处为2；Kid为单个悬置竖直向下动刚度，N/m；nd为动静比，取1.3；Kis为单个悬置竖直向下静刚度，N/m；α 为倾斜角，rad；Kis（法向）为单个悬置自身Z向静刚度，N/m。

3.3 能量解耦分析法

在传统设计理念中，动力总成系统的刚度较悬置系统的刚度大得多，通常将动力总成系统看成一个刚体。因此，动力总成的运动通常简化为由三个平动和三个转动，共六个自由度组成的运动形式。动力总成的模态由于上述简化，主要考虑其前六阶[3]。

在一般情况下，动力总成各阶模态并不是相互独立的，而是各自相互影响（耦合），这对于实际工程中，动力总成的振动控制是不利的。为了尽量减少动力总成各个自由度振动耦合的程度，常用打击中心定理、弹性中心定理、能量解耦法等方法指导动力总成悬置的设计[4-5]。由于动力总成在整车上的布置形式和位置不容改变，打击中心定理和弹性中心定理难以适用，因此，运用能量解耦法进行悬置参数选择指导[6]。

能量解耦法假设动力总成为刚体，且只有三个平动和三个转动自由度，此时激振力（矩）所做的功转化为系统沿多个广义坐标的动能和势能。通过求解系统微分方程，得系统六阶固有频率ωj（j=1，2，…，σ）和固有振型φ，从而求出各阶主振动时的能量分布，将它写成矩阵形式，定义为能量百分比矩阵[7]。当系统以第j阶模态振动时，此矩阵的第k行1列元素为

式中：φ（k，j）、φ（l，j）分别为第 j阶振型的第 k 个和第l个元素；M（k，l）为系统质量矩阵的第 k 行、第 l列元素；wj是第j阶固有频率。当系统以第j阶模态振动时，第k个广义坐标分配的能量占系统总能量的百分比为

当其值为100%，则系统作第j阶模态振动时，能量全部集中在k个广义坐标上，此时，该阶模态振动完全解耦[8-9]。

4 设计计算与验证分析

根据本文新的模型带入实际参数进行设计计算，得到各个悬置处受到的垂向力大小为F1≈6076 N、F2=F3≈2989N；悬置主方向设计刚度参数，并提出方案参数，见表2。

根据能量解耦法编写MATLAB计算程序[10]，按照表2中的数值，取动静比为1.3，其余两个方向刚度取一定比例，得到动力总成悬置系统的解耦率（见表3）。

表2 悬置主方向静刚度 （N/mm）

表3 悬置系统解耦率

优化方案悬置刚度不完全符合解耦的设计计算要求（Z向在80%以上，其余方向控制在60%）。这说明传统解耦理论假设动力总成为单刚体力学模型，并不适用于较长动力总成的实际情况。而将较长动力总成视为两个刚体的处理方法的实际效果，则需要通过以下的试验进行验证。

按照优化方案制作样件，并搭建混合动力总成试验台架进行试验验证。试验同样采用LMS公司的SCADAS采集前端、TestLab软件，以及若干B&K公司的振动加速度传感器搭建的振动加速度测试系统。主要考察动力总成系统发动机满负荷速度特性下，动力总成悬置上下侧的振动情况。将振动较大点分成三个区段，分别是8～12 g、12 ～18 g及 ＞18 g。

通过试验，所有悬置上下侧振动加速度在速度负荷特性曲线上均值计算的隔振量均大于60%，满足要求。

通过试验方案的比对，发现优化方案的各个悬置的振动特性曲线中，1#、2#、3#、4#较原机状态几乎没有变化（原机在这些位置振动较小），5#、6#悬置的振动情况有较大改善，见图4和图5。通过图5看出，优化方案中已经将最大振动加速度由22.51 g减小为16.41 g，同时将最大值的峰值频率也换到了不常用工况下，将所有方案中的振动较大数据整理入表4，其中max为该方案中振动最大点数值。表中的数据说明，将长动力总成按照两个刚体的力学模型来选取动力总成悬置参数实际取得了较好的效果，是一种可行的方法，有较强的实用价值。

表4 各方案试验数据汇总

5 结论

由于混合动力客车动力总成系统的总体长度较大，不能简单假设成单刚体，因此，不能直接使用能量解耦法的计算结果，也不能一味追求较高解耦率。针对动力总成长度较大的情况，往往会采用多于四点悬置的布置方式，因此，设计计算时，可以将动力总成分段为两个刚体处理，以单个刚体各自解耦为出发点，求得平衡状态合适的静力分配状态，再根据此状态求得对应的悬置参数，并加以试验验证与调整。本文的假设方法和试验手段同样适用于指导其他动力总成较长的悬置系统参数设计匹配。

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修改稿日期：2012-04-15

Study on Matching Method of Multi point Mounting System for Hybrid Power train

LI Zhong-xin,SONG En-dong,YE Huai-han,YUAN Wei-ping
(Commercial Vehicle Technical Center ofSAICMotor Co.,Ltd,Shanghai 200438,China)

The powertrain is regarded as a single rigid body for matching parameter in traditional method.However,for long-axial hybrid powertrain,the traditional way ignored the axial bending-mode,which makes serious axial-vibration.In this paper,a new method has been adopted which regards the powertrain as two rigid blocks so as to make the maximum value of axial vibration from 22.5 g to 16.4 g,and the number of points of vibration peak decreased largely with the method validated.There is great theoretical significance and practical value.

powertrain;mount parameter;matching method;multi-rigid body

U463.83+1

A

1006-3331（2012）04-0007-04

李忠欣（1973-），男，主要研究方向：动力传动系统匹配。