孔 建，蘇吉陽，張志浩

（1.煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006；2.廈門技師學(xué)院，福建 廈門 361000；3.黃巖第一職業(yè)技術(shù)學(xué)校，浙江 臺(tái)州 318020）

0 引言

汽車動(dòng)力總成中涉及到的發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而變速器是動(dòng)力傳輸、變換的中樞，對(duì)于整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要；這些構(gòu)件具有機(jī)械精度要求高，零件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴的特點(diǎn)。汽車動(dòng)力總成中包括了相當(dāng)部分的高端和核心技術(shù)，屬于各大汽車公司的核心技術(shù)之一，決定了未來其在汽車市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。低油耗、零排放、排量小、功率大已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和潮流。同時(shí)汽車產(chǎn)業(yè)所具有的技術(shù)含量高，初期投入大、后期回報(bào)高的特點(diǎn)，使得這一產(chǎn)業(yè)的同行多，競(jìng)爭(zhēng)壓力大。傳統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)新模式已不能適應(yīng)新的市場(chǎng)需求，通過縮短研發(fā)周期開發(fā)出質(zhì)量可靠，節(jié)能環(huán)保的汽車核心部件顯得尤為迫切。使用計(jì)算機(jī)建模和分析技術(shù)能夠?qū)ζ噭?dòng)力總成中的詳細(xì)數(shù)字設(shè)計(jì)、仿真分析、數(shù)字樣機(jī)的數(shù)字化制造的各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)無圖紙化。

1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)建模

經(jīng)過20多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和工程在現(xiàn)代汽車動(dòng)力總成研發(fā)和制造中已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，必將在未來的發(fā)展中發(fā)揮越來越大的作用。

建模是動(dòng)力總成進(jìn)行后續(xù)計(jì)算機(jī)分析的前提，很大程度上決定了分析的可靠性和準(zhǔn)確性，而根據(jù)具體的工作情況選用恰當(dāng)?shù)睦碚摻⒛Ｐ湍軌蜻m應(yīng)實(shí)際分析需求。20世紀(jì)70年代末期，液壓懸置由于具有的隔振、減震、降噪等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為一種主流的動(dòng)力總成懸置方式之一。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行液壓懸置動(dòng)力總成建模中，黃鼎友[1]等采用了6自由度的力學(xué)模型由3個(gè)懸置組成，包括2個(gè)液壓懸置和1個(gè)橡膠懸置，其力學(xué)模型如圖2所示。

結(jié)合液壓懸置和橡膠懸置優(yōu)點(diǎn)而形成的適合各種不同車型的個(gè)性懸置系統(tǒng)，另一種新型懸置系統(tǒng)中，采用右懸置為液壓懸，左右懸置為橡膠懸置的發(fā)動(dòng)機(jī)橫置式3點(diǎn)布置[2]。其中，不同于以往的六自由度數(shù)學(xué)模型，橡膠懸置采用能夠更好反應(yīng)系統(tǒng)幅變特性和頻變特性的Maxwell進(jìn)行建模，圖3為其懸置力學(xué)模型。

鍵合圖在動(dòng)態(tài)特性分析方面具有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用鍵合圖建立的汽車動(dòng)力總成的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型能夠夠好的反應(yīng)部件的動(dòng)態(tài)特性[3]，采用Matlab中的SMULINK進(jìn)行動(dòng)力總成仿真也能夠得到與試驗(yàn)吻合良好的結(jié)果。周美蘭等[4]在動(dòng)力總成建模中是以能量傳遞的以前向傳遞為輔后向傳遞為主作為基礎(chǔ)。其建立的單周并聯(lián)式汽車動(dòng)力總成模型是在對(duì)ADVISOR進(jìn)行二次開發(fā)以后建立起來的。在自主開發(fā)的SMMOUNT軟件上，史文庫等[5]建立了動(dòng)力總成的空間六自由度總成系統(tǒng)，來進(jìn)行起性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)?；旌蟿?dòng)力汽車由于采用復(fù)合動(dòng)力，要求發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和電機(jī)間工作更協(xié)調(diào)。這就對(duì)整車控制器提出更高的要求。立足于這種現(xiàn)實(shí)需求，荊新超等建立了汽車整車控制器各部分硬件的在環(huán)仿真系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)行匹配運(yùn)行仿真[6]。動(dòng)力總成懸置部件也是研究的重點(diǎn)，如通過建立橡膠懸置中主簧的三維有限元模型，分析單元特性對(duì)有限元分析結(jié)果的影響。在汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)建模中，通常采用液壓懸置和橡膠懸置相結(jié)合的模式，使得所建立的模型無限接近于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的實(shí)際工況。也可針對(duì)不同的模型，進(jìn)行軟件的二次開發(fā)或者自主開發(fā)，使得建立的模型更加具體化、實(shí)際化，而近些年來學(xué)者研究的建模主要為采用六自由度的數(shù)學(xué)模型、Maxiwell等。

2 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的工程分析

2.1 動(dòng)力總成系統(tǒng)解耦

汽車在行駛過程中，要盡量使其振動(dòng)幅度維持在小范圍以內(nèi)。而通過解耦分析，既可以使自身的振動(dòng)量維持在合理范圍以內(nèi)，又可避免出現(xiàn)共振。而在進(jìn)行動(dòng)力總成系統(tǒng)解耦是，能量解耦法應(yīng)用較為普遍。在汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要盡量避免其它模態(tài)頻率與汽車動(dòng)力總成的固有頻率相同或者接近而使整車在行駛過程中發(fā)生共振，也就是在動(dòng)力總成設(shè)計(jì)階段，使其具有較高的模態(tài)解耦程度。建立動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)六自由度數(shù)學(xué)振動(dòng)模型，如圖4所示。應(yīng)用模態(tài)分析軟件求出懸置系統(tǒng)的固有頻率和振型，然后導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行解耦分析，最終使得系統(tǒng)在各個(gè)方向上的解耦率達(dá)到90%以上[7]。

隔振性能是衡量汽車解耦程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過預(yù)先設(shè)置剛度參數(shù)和懸置位置參數(shù)作為系統(tǒng)的變量對(duì)汽車動(dòng)力總成進(jìn)行能量解耦率的優(yōu)化設(shè)計(jì)，李楠等[12]研究了懸置元件安裝位置約束范圍對(duì)系統(tǒng)能量解耦率的影響；通過分析表明在不影響動(dòng)力總成緊湊型的前提下，系統(tǒng)能量解耦率可通過增大安裝位置約束范圍的方法得以提高。幅變特性和頻變特性能夠在線性化的Maxwell汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中得到較好的反應(yīng)。應(yīng)用能量解耦法可得到各階模態(tài)較高程度的解耦，降低汽車在行駛過程中的振動(dòng)幅度[2]。通過計(jì)算機(jī)工程分析軟件不僅可以設(shè)計(jì)汽車動(dòng)力總成，也可對(duì)已有汽車動(dòng)力總成進(jìn)行故障分析、排除和產(chǎn)品的改進(jìn)。針對(duì)某種微型車在工作狀態(tài)下振動(dòng)加劇的現(xiàn)狀，吳繼祥等采用Abaqus和Hyper-Works建立了其動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)支架的有限元模型。然后對(duì)該有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其固有頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度存在著很大范圍的重合，從而引發(fā)了共振。在對(duì)該支架進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)后，使得其固有頻率發(fā)生了變化，從而反饋指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)[9]。

在應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行動(dòng)力總成解耦過程中，建立不同的模型會(huì)對(duì)解耦效果產(chǎn)生不同的影響。應(yīng)盡可能使得所建模型反應(yīng)動(dòng)力總成自身的特性和工作特點(diǎn)，如Maxwell模型能夠較好的反應(yīng)部件的幅變特性和頻變特性，功率鍵合圖能夠較好的反應(yīng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)等。

2.2 動(dòng)力總成系統(tǒng)的仿真

應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行動(dòng)力總成系統(tǒng)性能優(yōu)化是其在動(dòng)力總成中的一巨大優(yōu)勢(shì)。汽車自身的特點(diǎn)、工作狀況以及消費(fèi)者對(duì)于高質(zhì)量產(chǎn)品的需求要求動(dòng)力總成在滿足使用要求的前提下，盡可能的達(dá)到動(dòng)力強(qiáng)勁、占用空間小、振動(dòng)小、噪音低等要求。隨著計(jì)算機(jī)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品大部分的性能均可進(jìn)行模擬，經(jīng)過反復(fù)的改動(dòng)和模擬，最終達(dá)到優(yōu)化的目的。隨著能源排放壓力的增大，混合動(dòng)力汽車得到了快速的發(fā)展，與傳統(tǒng)的柴油、汽油汽車不同動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)不同，油電混合動(dòng)力汽車對(duì)動(dòng)力總成提出了更高的要求，將傳統(tǒng)的動(dòng)力總成改裝成混合動(dòng)力汽車所需的動(dòng)力總成具有廣闊的應(yīng)用前景。吳彤峰等[8]應(yīng)用美國再生能源實(shí)驗(yàn)室在Matlab/SMULINK基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的ADVISOR軟件，通過進(jìn)行系統(tǒng)仿真得到混合動(dòng)力汽車各部件的性能參數(shù)，再應(yīng)用具有該參數(shù)的各部件進(jìn)行相互之間的能源匹配。仿真結(jié)果表明：將微型客車改裝成并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)客車在理論上是可行的，其改裝后的汽車的綜合性能指數(shù)要優(yōu)于原車型的性能。

汽車動(dòng)力總成由于采用彈性的液壓懸置或者是橡膠懸置，且其經(jīng)常工作在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，彈性支撐的動(dòng)力總成在各種沖擊振動(dòng)作用下引起的位置改變可能導(dǎo)致其與周邊的構(gòu)件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。為防止運(yùn)動(dòng)干涉的產(chǎn)生，通常采用計(jì)算機(jī)性能仿真的方法，得出動(dòng)力總成在各個(gè)方向上的振幅，然后進(jìn)行動(dòng)力總成周邊部件的設(shè)計(jì)，預(yù)留出振動(dòng)所需空間[1]。然而此種方法可能會(huì)增大動(dòng)力總成的運(yùn)動(dòng)空間，影響其緊湊型。對(duì)此，胡寧[10]等提出了應(yīng)用CATIA提供的CAA用戶開發(fā)借口，以計(jì)算機(jī)對(duì)動(dòng)力總成的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真結(jié)果作為輸入，分析汽車動(dòng)力總成動(dòng)態(tài)包絡(luò)面，從而避免了后期的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)動(dòng)力總成數(shù)模位置、姿態(tài)的自動(dòng)變換、數(shù)模的簡(jiǎn)化，大大的節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需空間，降低了對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求。也有部分學(xué)者研究了動(dòng)力總成中某個(gè)部件的參數(shù)變化對(duì)整體的影響，梁天也等[11]采用ABUQAS有限元分析軟件建立了橡膠懸置主簧的三維分析模型，分析不同的單元類型對(duì)橡膠主簧會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。通過研究分析表明不同的單元類型和網(wǎng)格密度對(duì)結(jié)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以應(yīng)合理的選取單元類型和網(wǎng)格劃分形式，以期能夠得到較為合理的分析結(jié)果。

目前的汽車動(dòng)力總成研究主要集中在通過建立模型進(jìn)行仿真來提高懸置系統(tǒng)的懸置性能；應(yīng)用仿真軟件模擬動(dòng)力總成的振動(dòng)方向及其大小以避免發(fā)生干涉；通過開發(fā)動(dòng)力總成各部件的模型，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行仿真等。Matlab是進(jìn)行系統(tǒng)仿真應(yīng)用最廣泛的軟件。于此同時(shí)為了使仿真更能適應(yīng)具體的工作需求，也可對(duì)一些現(xiàn)有的成熟商業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。然而目前汽車動(dòng)力總成計(jì)算機(jī)建模和分析方法與實(shí)際還存在著差距，還有待完善。

3 結(jié)論

本文回顧了近幾年來計(jì)算機(jī)建模和分析技術(shù)在汽車動(dòng)力總成中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為應(yīng)常用工程分析軟件如Matlab、 MSC/Adams、 CATIA、 Hyperworks， 進(jìn)行動(dòng)力總成的模態(tài)解耦、振動(dòng)仿真、性能優(yōu)化等；以及通過對(duì)現(xiàn)有的商業(yè)軟件的二次開發(fā)，如SMMOUT、CAA。還有一部分學(xué)者研究了動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振性能進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。隨著理論知識(shí)的不斷發(fā)展和工程分析軟件的不斷完善，計(jì)算機(jī)將在未來的汽車動(dòng)力總成研發(fā)中扮演更加重要的角色。我國未來汽車工業(yè)的崛起離不開發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝技術(shù)的快速提高，而動(dòng)力總成作為汽車的核心部件，其技術(shù)性能對(duì)整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化以逐漸成為一種趨勢(shì)。

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