动力总成控制系统（精选10篇）
动力总成控制系统 篇1
前言
混合动力汽车是介于内燃机和电动汽车之间的一种车型,它继承了电动汽车低排放的优点,又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处,显著改善了传统内燃机汽车的排放性能和燃油经济性,增加了电动汽车的续驶里程,对于中国这样一个贫油和污染较严重的国家来说具有相当重要的战略意义和现实意义。
多能源动力总成管理系统负责处理整车的能量管理和动力分配策略,协调控制各总成部件,是混合动力汽车最为核心的技术。控制系统能够在各种工况下解析驾驶员的操作意图,计算出车辆行驶的需求转矩,并将其最优化地分配到各个动力驱动装置,以获得更好的燃油经济性和更低的排放。运行过程中控制系统不断的优化整车的能量分配,使混合动力汽车在不同的工作模式之间进行切换,并回收减速或制动时的能量,从而使整车获得最佳的性能。在本文所研究的模型中,多能源管理系统将加速踏板的位置,发动机,发电机以及电动机的速度,还有电池的状态(电压和荷电状态)作为输入信号,通过一系列控制,最终得到的输出信号是电动机和发电机的参考转矩以及节气门的信号。通过多能源动力总成管理系统得到的输出信号再分别输入到发动机模型,发电机和电动机组合而成的电力驱动模型中去,可以实现对三者的控制。从而根据汽车的需求将动力进行合理的匹配,使汽车运行在最佳状态。
1、电池管理系统
作为混合动力汽车的一个主要动力源,电池管理系统起着十分重要的作用。无论是发电机还是电动机,都离不开电池的参与。电池在混合动力汽车中还起到了能量缓冲的作用,在一定的条件下通过充电的方式将电能进行储存,而在车辆需要电动机发出功率时再将能量输出。
在该电池管理模型中,主要是对电池SOC (电池的荷电状态)工作范围进行了设定,这样做的目的是为了防止电池进行过度的充,放电,从而对电池的寿命起到了保护作用。在此模型中,我们将范围限定在了40%到80%之间,设定电池的初始电量为41.53%,利用一个触发器对电池进行控制,从而得到电池的充电功率。
具体的控制策略为:当电池的电量低于40%时,电池需要充电,而电池的额定功率为21Kw,因此电池进行充电直至-21Kw。但只要电池电量还未达到80%时,电池一直保持充电状态。当电量大于80%,电池停止充电。由示波器得到电池的电量波形图为图1所示。
2、汽车所需要的驱动转矩与驱动功率
2.1 驱动转矩
汽车在行驶过程中的驱动转矩主要由加速踏板的位置以及电动机的转速得出。汽车的最大转矩是400N·M,将加速踏板的为位置与之相乘则可得到汽车所需转矩,但是这个转矩有一个限定范围,而该范围则是由电动机的转速来决定的。在这里,电动机的转速与转矩有一定的函数关系,通过这个插值函数,可得到转矩范围,插值函数如图2所示。
在该坐标图中,横坐标代表的是电动机转速,纵坐标代表的是转矩。所以,根据加速踏板的位置所求出来的驱动转矩若在范围内,就为汽车所需的驱动转矩,若在范围外,则驱动转矩为该限定范围的上极限值或是下极限值。
2.2 驱动功率
因为无论是纯电驱动,纯发动机驱动还是混合驱动,最终都需要通过电动机进行驱动,所以根据功率与转矩的关系,汽车行驶所需要的驱动功率为驱动转矩与电动机转速的乘积。
3、混合动力管理系统
3.1 混合动力使能信号
混合动力汽车,顾名思义就是汽车有两个或两个以上个动力源,根据条件的不同,在汽车行驶时可以是单个动力源独立驱动,也可以是多个动力源混合驱动。那么,在何时汽车应该进行混合驱动就成了控制的关键。混合动力使能信号就是用来控制汽车在什么时候开始混合,又是在什么时候停止混合的。在本文中,假定汽车没有混合时,信号输出为0,而汽车混合时,输出信号为1。
在该混合动力汽车的模型中,使能信号是由驱动功率的参考值与电池的充电功率决定的。控制混合使能信号的模型如图3所示。
通过对控制模块的分析得知,对于混合动力信号的最终实现,驱动功率的参考值与充电功率是“或”的逻辑关系。也就是说,当驱动功率的参考值大于设定的12Kw时,这时仅仅靠纯电驱动已经不足以满足汽车行驶的需求了。所以,要开启混合动力模式;“或”当电池的充电功率不等于0时,混合动力也要开启。这是因为由上文中分析的电池管理模块可得知,当电池的SOC低于40%时,为了防止电池的过度放电,电池需要充电。所以,这个条件可以转化为当电池的SOC低于40%时,混合动力开启。那么,反过来,混合动力关闭的条件为当驱动功率的参考值大于12KW“且”电池的SOC大于等于40%。
3.2 发动机参考转速
之所以要求出发动机的参考转速,是为求解后面发电机的参考转矩,电动机的参考转矩等量作铺垫。根据图4所示的控制模型,我们可以得出发动机的参考转速。
要求发动机的参考转速,首先要知道发动机的参考功率。由模型可得:P*ICE=|驱动功率-充电功率|,从这个式子也可说明,当电池处于未充电状态时,发动机的参考功率就是汽车驱动功率的参考值;当电池处于充电状态时,由于充电功率为负值,所以实际上是将驱动功率的值与电池充电的功率值相加,说明了此时只由发动机纯驱动,发动机发出的功率一部分直接驱动汽车,另一部分则通过发电机给电池充电。所要求的发动机参考转速与发动机参考功率间存在着一定的函数关系,于是通过插值函数模块,我们可得到发动机的参考转速,插值函数见图5。
该坐标图中,横坐标代表参考功率,纵坐标代表的是参考转速。由该插值函数得到的参考转速还要再乘以AccelGain=1.1,然后判断得到的值是否在750～5000rpm之间,若在,则输出值为发动机参考转速;若低于750rpm,则为750rpm;若高于5000rpm,则为5000rpm。
3.3 发电机参考转矩
(1)发动机的参考转矩
该模块被用来计算ICE所需要的转矩,并且它还被用来在混合动力关闭时,计算使ICE停止所需要的转矩。具体模型见图6。
我们可以看到控制发动机的参考转矩有三条支路:第一条支路是与发电机的转速相关的。根据设定的值,我们发现:当发电机的速度<200rad/s时,该支路输出信号为0,发动机是不输出转矩的,当发电机速度>300rad/s时,该支路输出信号为1,发动机才有转矩输出。
第二条支路是用来求解发动机的参考转矩的,即把发动机的参考功率除以参考速度。在这条支路中,我们采用了采样与保持模块来进行控制。即当使能信号一开始为0时,转矩输出为0;当使能信号为1时,输出计算出的转矩;在这以后,当使能信号又为0时,那么使发动机停止的转矩则保持上一时间段内使能信号为1时的转矩值。
第三条支路用来对发动机的参考转矩进行修正,其值在0—1之间。
这三条支路的乘积就是发动机的参考转矩T*ICE。为了验证以上三条支路,我们将发电机转速输出信号,使能信号和发动机参考转矩放在一张图上进行说明,见图7。
在图7中,蓝色代表转矩,红色代表发电机转速输出信号,绿色代表使能信号。我们可以看到,只有当红线为1时,发动机才有转矩输出,当红线为0时,发动机不输出转矩。
(2)发电机的参考转矩
由行星齿轮机构可得知,发动机的转矩与发电机的转矩是存在一定的比例关系的。在这个模型中也可以得到验证,见图8。
T*Gen=T*ICE(-1/(Kb-1)),Kb=-2.6。对发电机的转矩也有范围的限制,在上文中我们已经知道了发电机的额定功率为30Kw,所以发电机的转矩范围为。
3.4 电池的可利用功率
该模型主要是对电池在充电和不充电时刻所利用的功率进行输出,同时还输出了发动机功率的参考值和测量值。见图9。
(1)电池可得功率
当电池充电功率为0时,电池可得功率为发动机功率的参考值与测量值之差。即Baterry Power P*ICE-P＿ICE。因为当电池充电功率为0时,发动机的参考功率等于汽车的驱动功率,而汽车此时由发动机和电池共同驱动,所以电池的功率为驱动功率减去发动机的测量功率,即P*ICE-P＿ICE。当电池在充电时,电池功率为充电功率。
(2)发动机功率(参考值,测量值)
发动机功率的参考值在上文我们已经求出了,但是当P*ICE<11Kw时,发动机不输出参考功率;只有当P*ICE>12Kw时,才输出功率参考值。
发动机功率的测量值就是将发动机转矩和转速的测量值相乘。
3.5 电动机的参考转矩
电动机参考转矩的输出是由电动机的转速控制的。其模型图见图10。
当电动机转速<100rpm时,此时汽车处于纯电动驱动模式,电动机的参考转矩输出为汽车的驱动转矩；当电动机转速>200rpm时,电动机的参考转矩为电动机的参考功率除以电动机的转速。我们知道,电动机的所有电能来自于发电机和电池,所以电动机的参考功率为发电机参考功率与电池功率之和。因此,对应于不同的电动机转速,电动机的参考转矩有不同的输出。
4、结论
本文对多能源动力总成管理系统中的各个子模型进行了详细地分析。根据加速踏板位置信号,电池的状态以及发动机,发电机,电动机三者的转速,通过该系统的控制策略,将动力进行合理的匹配,最后得到了发动机的节气门信号,电动机和发电机的参考转矩。再将这些输出信号输入到发动机模型和电力驱动模型中,实现对发动机,发电机和电动机的合理控制。
参考文献
[1]康龙云.新能源汽车与电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2011:50-54.
[2]蔡梦贫.混合动力系统概述[J].汽车电器,2005,(1):55-59.
[3]Floyd A.Wyczalek,Market Mature 1998 Hybrid Vehicles[J].IEEE,1999:93-96.
[4]燕来荥.混合动力汽车技术开发正当时[J].客车技术,2005,(2):25-26.
动力总成控制系统 篇2
经过前期的调研和技术交流我们提出了低速电动乘用车电气方案，下面重点就电池、电机分类说明各个选型方案的优缺点，供大家批评指正。
器）。批量投产后应能降低至少10%。详细说明 电池方案一： 单体电池成组
动力总成的关键在于电池的集成，如何在有限的空间尽可能多的布置电池是提高续航里程和最高时速的最为有效的途径。另外，单体电池更加易于均衡和维护，根据清华大学相关专家研究发现，采用主动均衡的电池组和没有采用均衡的电池组相比较，可以有效提高循环寿命达到25%，尤其是在寿命后期仍然能够具备优良的充放电特性。出于以上两方面的考虑，采用单体电池组成电池组是可行的。
当然单体电池成组也有不利的一面，从均衡和监控电路的增加到连接线缆的增加都会提高成本。下面就具体介绍单体电池成组方案：
为便于成组及比较，暂定32块单体电池成组。
价格低廉。按照清华大学专家建议，综合考虑成本和均衡作用的因素，采用两块单体电池串联在一起作为一个均衡监控单元，共16路约需2000元；
线缆费用：按2C放电需配用70 ㎜²多股软铜线，需用大约15米，含软管费用约400元，64只紫铜线鼻子约200元，按一料半工计算工费约300元，合计约900元。
此外单体电池为非免维护型，比12度大块电池重量增加24㎏，体积增加17升，需定期维护。
电池方案一总价约12500元 电池方案二： 小块电池成组
尽管没有了单体电池在均衡方面的优势，但是在方便布置方面，小块电池仍然有着大块电池无可比拟的优势，甚至优于单体电池。此外由于在电动自行车上的大量应用，总体成本
排1米约50元，70㎜²多股软铜线2米加10只紫铜线鼻子约100元，加工费约350元，合计约1,100元。
相信通过合理安排空间布置，应该能够布置下更多的小块电池，争取达到14.4度储能。电池数量多，提高了电池不均衡的风险，接线复杂，故障点大为增加，维修困难。
我们确定在此方案中应用24路管理系统（约3000元）起到均衡和监控作用。尽管由于12V20AH电池是由6块单体电池组成，均衡作用受到了限制，但对比所带来的电池组性能的提高我们认为是值得的。
电池方案二总价约11300元
70㎜²多股软铜线6米约150元，紫铜线鼻子28只约100元 电池方案三总价9990元
综合以上电池成组方案我们认为，单体电池由于目前市场上不是动力电池主流，难以配套免维护封装电池，尽管均衡作用最为理想但性价比不高。考虑到合理布置的巨大优势我们倾向于小块电池成组也就是电池方案二。
当然如果能够找到免维护动力单体电池，能量价格比不高于，体积能量比和重量能量比均不低于目前市场上主流动力电池，考虑到均衡作用能够带来电池寿命的显著延长，兼顾到相对较小的体积有利于空间布置，我们首选的还是电池方案一。电机方案一
配套减速箱厂家：锦州汉拿公司。价格2000元 配套控制器：东风电机厂，价格3200元。电机减速机和控制器总价格：8200元 主要技术参数如下： DC48V-86.4V 最大电流300A
工作温度-40℃到55℃ 冷却方式：自然风冷
东风电机厂开发的系列电动车专用异步电动机是国家863项目，老牌企业技术积淀深厚，电机在自然风冷条件下可耐180℃高温，可靠性高，泼皮耐用，没有同步电机失步需断电重启的问题，比永磁同步电机和直流无刷电机更能够适应恶劣条件下正常工作的需要。综合考虑性价比我们倾向于东风电机方案，也就是电机方案一。
电机方案二：
目前使用微特力电机的厂家有：众泰，新能，金杯。配套减速箱由微特力公司推荐厂家约2000元。配套控制器：深圳汇川控制器，价格3200元。电机和控制器总价格：7100元 主要技术参数如下：
由于峰值功率的限制，峰值转矩出现在955转左右，爬坡速度较低。
电机方案三
永磁同步电机和控制器
电机和控制器使用的是大洋新动力的产品(价格1万元)主要性能参数：
系统电压可以根据需要调整到60-96VDC范围内，最高转矩出现在转速1790附近。减速箱由用户自配约2000元 合计约12000元
永磁同步电机广泛应用于数控机床等速度跟随性较高的场合，电动车市场刚刚兴起时，出于对节电的考虑，大多数厂家选择了比异步感应电动机效率高得多的永磁电动机。但随着变频技术的发展特别是矢量控制技术的成熟应用，已经可以有效提高感应电动机的运行效率，永磁同步电机在效率上的优势已不明显，精密的速度跟随性在电动车的应用上并不重要，而感应电动机简单的结构所带来的高可靠性和高性价比已被越来越多的电动车厂家所青睐，可以预见，电动车电机
不远的将来必将是异步感应电动机占据主流地位。
整车控制器
为优化设计，有效提高续航里程和爬坡能力，我们建议应用整车控制器。
其一：清华大学紫荆学院的铅酸电池管理系统需要和整车控制器建立通讯才能发挥出全部作用。
其二：相对于内燃机车，电动车天然具备再生能量制动功能，在刹车策略中，驱动轮电机发电制动力矩和液压制动力矩同时起作用，总的制动力矩为二者的总和，再生能量回馈有利于节省能量，提高续航里程。但需要整车控制器控制再生能量的利用。
其三：整车控制器还可以优化驾驶策略，大大简化电气接线方案，有效节省线缆费用，提高电动车的可靠性，易维护性。
天津清源16位整车控制器价格约2000元。样机大约3000-4000元（含一次性开发费）。其他配置6150元.充电机
杭州铁城充电机80V-30A, 价格1600元左右.DC-DC
英博尔DC-DC600W350元.仪表盘
合肥协力QZB152EV 1000元.冷暖空调
浙江精磊3200元
2013常乐 黄鹏举
动力总成控制系统 篇3
关键词：能量解耦；悬置系统；匹配优化
中图分类号：U461.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）04-0025-03
Parameters Design of Vehicle Powertrain Mounts Based on Energy Decoupling
LI Zheng，JI Jin-liang，YANG He-zhou，ZHU Cheng-hui
（Zhengzhou Nissan Auto Co. LTD.，Zhengzhou 450016，China）
Abstract：ADAMS model of a powertrain system whose vibration at idle speed was poor was built.using the model，it found that the vibration energy coupling between the 6DOFs was serious. Then the theory of vibration energy decoupling was concluded and based on the theory，parameters of mounts were redesigned. The effective of the new parameters were validated from the results of another new vibration analysis. Obviously，it is a solution to improve the performance of powertrain mounts.
Keywords：energy decoupling；mounts system；optimization
车身的振动不仅影响车辆的乘坐舒适性品质，而且还会影响操纵稳定性。分析振源主要来自于两个方面：不平路面激励或发动机运转产生的往复倾覆力矩激励。为了隔振降噪，在发动机与车身或车架之间用较软的橡胶或液压悬置连接，一方面隔离动力总成振动，包括控制发动机怠速时较大幅度的低频抖动，隔离并降低高速时的高频振动与噪声，同时作为一吸振器，吸收路面传递到车身或车架上的振动。因此悬置系统的空间布置及性能匹配是车辆设计的重要环节。
本文结合某一怠速振动性能较差的实例车型，借助建立其动力总成系统ADAMS模型，从振动解耦设计理论上进行了参数验证和重新设计。使用优化后的参数，从ADAMS模型提取系统总成的振动线性模态，得到各自由度间的能量分布，验证了所达到的各阶频率和主要自由度解耦目标。
1 悬置系统的振动分析
本文采用FR车型，纵置4缸发动机、4点悬置。由于怠速振动性能较差，为分析动力总成悬置系统的振动特性，建立了其ADAMS动力学模型。
1.1 动力学模型的建立
动力总成悬置系统的临界频率一般在30 Hz以下，大大低于动力总成本身作为弹性体振动模态（最低60 Hz），图1 为动力总成悬置系统的ADAMS模型。
在工程上认为动力总成的振动只存在刚体模态。因此将动力总成简化为空间刚体，并把它通过悬置橡胶垫固连在地上［1］。输入系统质量参数和各悬置的坐标位置、弹性参数（见表1、表2），建立ADAMS模型（见图1）。
1.2 振动特性分析
对上述系统进行VIBRATION分析，抽取线性模态数据，并借助ADAMS计算各阶模态振型在坐标系各方向上的能量分布。结果见表3。
该发动机怠速为850 r/min，则发动机怠速激励频率为850/30≈28.33 Hz，由于系统刚体振动最高模态频率10.17 Hz小于发动机怠速激励频率的0.707倍，即10.17<28.33×0.707=20.03，满足悬置系统刚体模态频率的要求，说明该系统具备一定的隔振性能。
从表3中看出，6个刚体模态中Z/Y轴能量解耦程度较高，然而在绕x轴旋转方向的耦合较严重，在X/RY/RZ方向上的振动能量耦合也很明显。显然在该动力总成悬置设计时，未充分考虑各自由度间的能量解耦或部分解耦。
由于当动力总成悬置系统六个自由度间振动耦合时，会导致动力总成的振幅增大，振动频率范围过宽，对隔振极为不利。且各自由度振动如果互为耦合，很难对产生共振的自由度上的频率进行个别改进而不影响其他自由度上的隔振性能，所以在设计悬置系统时用尽量采用解耦布置［1-5］。下面就着重介绍悬置系统振动解耦的结构和性能参数设计原则。
2 悬置系统振动解耦的理论基础
2.1 动力总成两端垂向运动解耦
依据刚体撞击中心理论，将后（前）悬置布置在前（后）悬置点的共轭点上，使前（后）悬置所受的冲击在后（前）悬置处引起的动反力最小，从而达到良好的隔振效果。
LfLr=Iyy /m（1）
式中，Lf /Lr分别为动力总成质心到前后悬置组的距离；Iyy为动力总成绕主惯性轴Y的惯性矩；m为动力总成质量。
2.2 单轴平动及转动振动解耦
为使动力总成垂向和俯仰自由度振动解耦，前后悬置在垂向上的刚度要满足：
Kzf Lf=KzrLr（2）
式中，Kzf /Kzr分别为前后悬置组等效垂向刚度值。
2.3 扭矩轴理论
如果前后悬置的平面和扭矩轴垂直，并且前后悬置组的弹性中心均落在扭矩轴线上，则可使发动机在Y方向的横向振动、Z方向的垂直振动和绕X轴的扭转振动解耦。
对于V型悬置组，其弹性中心O点确定如图2示。
式中，L=Kw /Kv称为悬置的剪压比；Kw 为悬置剪切方向刚度，Kv为悬置压缩方向刚度，θ为悬置安装倾斜角。
3 悬置系统参数的优化设计
根据表1发动机坐标系下的转动惯量值，可计算得到系统的主惯性矩：Ixx=16.44 kg·m2，Iyy=43.74 kg·m2，Izz=35.47 kg·m2。主惯性轴X和扭矩轴在参考坐标系中的相对空间位置见图3。
代入悬置系统其他参数，运用第2章中的设计原则，可以得到一组优化的系统参数，见表4、表5。这里为使悬置系统其他自由度间尽可能解耦，把后悬置组也设计成倾斜放置，使其弹性中心也落在扭矩轴上。
把上述重新匹配优化后得到的参数代入ADAMS系统模型，重新计算VIBRATION性能，结果见表6。
从表6可看出：采用优化的悬置布置方式及刚度参数后，系统模态频率在限制范围内，Z方向振动能量解耦率达到100%，绕X方向扭转振动解耦率也达到86%，Y/RZ方向的能量解耦率也都在90%以上。虽然X/RY方向上解耦改善不明显，但在这两个方向并不存在主要激励，因此对系统隔振性能影响不大。
4 悬置位移控制
为保证悬置系统的寿命，发动机在正常工作区悬置位移不能太大，而在启动、加速、制动、大侧向加速度转向、冲击等极限工况条件下，悬置系统要有足够的刚度，以避免发动机与周围部件干涉。而这些验证也都可以在ADAMS中快速实现。
5 结论
（1）振动能量解耦率是动力总成悬置系统设计好坏的重要评价指标之一。本文从振动解耦设计理论出发，对某一悬置系统重新进行了参数设计与优化，使得系统具有良好的振动解耦率，为设计改进提供了方案。
（2）为使悬置系统具有良好的隔振吸能效果，在进行车辆总体设计及发动机开发时，就应该遵循设计原则，对悬置点的位置、安装角度及悬置橡胶垫性能进行充分考虑。
（3）对于重量较大的动力总成，在使用四点悬置时，根据工程实际，可以采用不对称的布置方式，但要尽量倾斜布置前后悬置组，以使它们的弹性中心都落在扭矩轴线上，从而最大限度的实现6个自由度上的振动解耦。
参考文献：
［1］ 许立峰. 汽车动力总成悬置系统NVH性能优化与试验验证［D］.北京: 北京林业大学，2009.
［2］ 吕振华，罗捷，范让林. 汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法［J］. 中国机械工程，2003，14（3）： 265-269.
［3］ 阎红玉，徐石安. 发动机悬置系统的能量法解耦及优化设计［J］. 汽车工程，1993，（6）.
［4］ 徐石安. 汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法［J］. 汽车工程，1995，（4）.
动力总成控制系统 篇4
随着社会的进步和技术的发展, 人们对汽车乘坐舒适性的要求不断提高, 振动噪声水平已成为衡量汽车性能好坏的重要标准。汽车动力总成悬置系统是汽车振动系统的一个重要子系统, 对改善汽车平顺性和降低汽车噪声有很大影响, 合理的汽车动力总成悬置系统的设计可以明显降低汽车动力总成和车体的振动。
1、建立动力总成悬置系统模型及其仿真性能分析
1.1 动力总成系统模型的建立
本文根据试验车辆配置的动力总成悬置系统, 利用ADAMS/View模块对动力总成悬置系统进行三维模型的建立, 并将动力总成系统进行简化, 忽略了其原有的一部分零部件, 本文研究的动力总成是由6 个橡胶悬置元件与车架相连的, 将6 个橡胶悬置由ADAMS/View中的Bushing (轴套) 代替。动力总成悬置系统的动力学模型以发动机连接皮带轮的端面与曲轴中心线交点为坐标原点, 竖直向上的方向定为Z轴的正向, 由齿轮箱到发动机端面定为X轴的方向。
2、动力总成悬置系统频域的仿真
2.1 动力总成悬置系统各模态下的固有频率分析
用Adams/Vibration模块中的振动分析, 对其静态6 阶固有模态进行了计算, 结果如表1 所示。从表中可知, 系统的最高阶模态频率为24.7333Hz, 频域仿真主要针对怠速工况 (n=750r/min) 、额定工况 (2500r/min) 和最大扭矩工况 (1500r/min) 。其振源激励频率和侧倾力矩的大小可由频率计算公式获得, 其计算公式为:
式中, n为发动机转速, r/min;i为发动机缸数;z为冲程系数, 2 冲程的为1, 4 冲程的为2。
因此, 当发动机怠速工况为n=600r/min时, 其激振频率约为30Hz, 由隔振理论可知, 系统的固有频率应低于激振频率的倍, 则动力总成悬置系统的最高阶固有频率应低于30Hz的倍, 即21.213Hz, 但6 阶固有频率24.7333Hz>21.213Hz, 因此动力总成系统在转速为n=600r/min的怠速工况下不具有良好的隔振性能。
表1 展示了动力总成悬置系统能量的分布情况, 第3 阶模态、第5 阶模态中沿Z轴平动方向与绕Y轴转动方向极易发生耦合, 因此需要对动力总成悬置系统进行解耦设计, 希望系统沿Z轴平动方向、绕X轴转动方向的解耦能达到90%以上, 但由仿真计算可知, 系统沿Z轴平动为主要振型的第3 阶解耦率低于80%, 极大影响系统的隔振性能, 降低车内的舒适性, 应对其进行优化设计。
3、动力总成悬置系统的优化
3.1 目标函数
本文优化的目标是发动机产生振动的2 个主要方向, 使垂直方向 (坐标系Z轴方向) 和绕曲轴方向 (X轴方向) 的解耦达到较大值 (90%以上) , 并将系统各阶固有频率的取值范围作为约束, 对悬置系统进行深入优化。
3.2 设计变量
由于受到安装空间的限制, 在实际优化过程中往往都是采用原有的悬置布置方案, 并不改变悬置元件的支承位置和角度。因此, 本文将悬置元件3 个主方向的刚度以及发动机左右前悬置的安装角度作为设计变量进行优化设计。悬置元件刚度的优化的变化范围取±60%, 悬置安装角度的变化范围为30°~60°。
3.3 约束条件
3.3.1 悬置系统固有频率的约束条件
悬置系统的最高固有频率上限应为20Hz, 另外垂直方向的固有频率应避开4~8Hz的人体敏感频率范围, 综合考虑悬置系统固有频率的下限应为5Hz。
3.3.2 动力总成系统沿X轴、Y轴振动位移及转角约束
动力总成悬置系统在实际工作过程中, 其质心位移变化不易过大, 一般要求动力总成悬置系统质心沿坐标系Y轴方向的位移不超过1mm, 沿X轴方向的位移不超过3mm, 沿Z轴正方向的位移小于10mm, 沿Z轴负方向的位移小于20mm, 转角为不大于3°。
4、优化结果分析
运用设计评价 (Design Evaluation) 中的优化计算 (Optim ization) , 对悬置系统进行优化。经过多次计算及调整得到优化后的悬置参数:安装角度从原有的45°变为优化后的30°, 6 个悬置3 个方向的优化前后刚度如表3 所示。
优化后的动力总成悬置系统的6阶固有模态及解耦率如表4所示, 与优化前的数据相比, 优化后的悬置系统最小频率值为5.2853Hz, 大于固有频率最低下限5Hz。悬置系统的最高阶固有频率, 即绕曲轴方向转动的固有频率从原先的24.7333Hz降低至20.2609Hz, 远离发动机最低怠速工况 (n=600r/min) 激振频率的倍21.213Hz, 不易发生共振现象。从整体来看, 各阶固有频率之间的最小间隔为0.7Hz, 可以避免各阶模态之间发生共振。从悬置系统的各模态的解耦情况来看, 优化后的悬置系统在Z轴方向与θy方向的解耦分别达到90.86%和97.33%, 与优化前相比分别提高了28.21%和39.7%;其余几个方向的解耦率均达到了90%, 因此整体来看该悬置系统基本实现解耦, 达到了解耦优化的目标。
参考文献
[1]张永利, 王永, 苑吉友.合肥工业大学学报 (自然科学版) [J].合肥工业大学.2007, 15 (S1) :45-48.
[2]庞剑, 谌刚, 何华.汽车噪声与振动:理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2006, 124-126.
[3]徐石安.汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法[J].汽车工程.1992.14 (2) :103-110.
[4]温任林.颜景平.汽车发动机悬置系统多目标优化的研究[J].东南大学学报.1996, 26 (6A) 105-110.
[5]季晓刚, 章应雄, 唐新蓬.汽车动力总成悬置研究的发展[J].汽车科技, 2004.1 (1) :4-6.
动力总成控制系统 篇5
摘 要：本文论述了动力总成位移计算方法的基本原理，并以某款轿车动力总成3点悬置系统为例，结合具体设计实际，论述了动力总成的悬置系统匹配、质心位移计算和包络的构建等方法。这种方法可以避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，对于动力总成悬置的设计和机舱的布置具有指导意义。
关键词：动力总成悬置系统；力-位移非线性关系；位移计算；包络；动态干涉
中图分类号：U462 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2014）02-0011-07
The Research of Powertrain Displacement Calculation Method and Envelope Construction
LI lin， LU Hong-fei， GE Yan-jie
（Shanghai Haima Automobile R&D Co.， Ltd. ， Shanghai 201201， China）
Abstract： This paper discusses the basic principle of calculation method for powertrain displacement. According to a passenger car's 3 point powertrain mount system and the specific design of the actual， it discusses the powertrain mounts system matching， centroid displacement calculation and envelope construction method. This method can avoid interference while small distance movement occur and has guiding significance to the powertrain mount design and underhood layout.
1 前言
由于汽车动力总成悬置系统为弹性元件，在汽车急加速、急减速、急转向、冲击、反跳等典型的各种行驶工况（典型的行驶工况约28种，故简称为28工况）下动力总成会产生一定位移，根据悬置性能的需求和动力总成与周边部件的间隙要求，动力总成的位移需控制在一定的范围内。动力总成在各工况下的位移和由此生成的运动包络可以有效指导发动机舱布置设计，避免因距离过小而导致的运动干涉问题的发生。
本文将根据动力总成悬置的力-位移特性的非线性关系，推导出了以迭代的算法计算动力总成质心的位移方程，并根据动力总成的位移制作其运动动画，依据运动动画生成运动包络，以动力总成的包络指导机舱的布置。通过某款轿车发动机悬置系统的匹配、位移计算、包络构建、包络应用等的具体设计实践，验证了该方法的有效性和指导意义，避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，做到了问题早发现、早解决，避免了量产后的模具更改，节约了费用和时间。
4 总结
将动力总成悬置系统简化为在其3个弹性主轴方向的刚度，并考虑悬置在弹性主轴方向的力-位移关系为非线性关系时，推导了悬置系统动力学分析的方程。同时结合某车型具体设计实际，论述了动力总成悬置的匹配，质心位移的模拟计算，动力总成包络的构建等方法，可以有效指导发动机舱布置设计，避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，做到了问题早发现、早解决，避免了量产后的模具更改，节约了时间和成本。
参考文献
[1]徐石安，肖德炳，等.发动机悬置的设计及其优化[J].汽车工程，1988，10（4）：12-23.
[2]徐石安.汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法[J].汽车工程，1995，17（4）：198-204.
[3]上官文斌，徐 驰.汽车动力总成悬置系统位移控制设计计算方法，2006，8（28）.
[4]上官文斌，蒋学峰.发动机悬置系统的优化设计[J].汽车工程，1992，14（2）：103-110.
[5]Geck P E， Patton R D. Front Wheel Drive Engine Mount Optimization[C].SAE Paper 840736.
[7]Johson S R， Subhedar J W. Computer Op timization of Engine Mounting Systems[C]. SAE Paper 790974.
[8]Swanson D A， Wu H T， Ashrafiuon H. Op timization of Aircraft Engine Suspension Systems[J]. Journal of Aircraft， 1993， 30（6）：979-984.endprint
摘 要：本文论述了动力总成位移计算方法的基本原理，并以某款轿车动力总成3点悬置系统为例，结合具体设计实际，论述了动力总成的悬置系统匹配、质心位移计算和包络的构建等方法。这种方法可以避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，对于动力总成悬置的设计和机舱的布置具有指导意义。
关键词：动力总成悬置系统；力-位移非线性关系；位移计算；包络；动态干涉
中图分类号：U462 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2014）02-0011-07
The Research of Powertrain Displacement Calculation Method and Envelope Construction
LI lin， LU Hong-fei， GE Yan-jie
（Shanghai Haima Automobile R&D Co.， Ltd. ， Shanghai 201201， China）
Abstract： This paper discusses the basic principle of calculation method for powertrain displacement. According to a passenger car's 3 point powertrain mount system and the specific design of the actual， it discusses the powertrain mounts system matching， centroid displacement calculation and envelope construction method. This method can avoid interference while small distance movement occur and has guiding significance to the powertrain mount design and underhood layout.
1 前言
由于汽车动力总成悬置系统为弹性元件，在汽车急加速、急减速、急转向、冲击、反跳等典型的各种行驶工况（典型的行驶工况约28种，故简称为28工况）下动力总成会产生一定位移，根据悬置性能的需求和动力总成与周边部件的间隙要求，动力总成的位移需控制在一定的范围内。动力总成在各工况下的位移和由此生成的运动包络可以有效指导发动机舱布置设计，避免因距离过小而导致的运动干涉问题的发生。
本文将根据动力总成悬置的力-位移特性的非线性关系，推导出了以迭代的算法计算动力总成质心的位移方程，并根据动力总成的位移制作其运动动画，依据运动动画生成运动包络，以动力总成的包络指导机舱的布置。通过某款轿车发动机悬置系统的匹配、位移计算、包络构建、包络应用等的具体设计实践，验证了该方法的有效性和指导意义，避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，做到了问题早发现、早解决，避免了量产后的模具更改，节约了费用和时间。
4 总结
将动力总成悬置系统简化为在其3个弹性主轴方向的刚度，并考虑悬置在弹性主轴方向的力-位移关系为非线性关系时，推导了悬置系统动力学分析的方程。同时结合某车型具体设计实际，论述了动力总成悬置的匹配，质心位移的模拟计算，动力总成包络的构建等方法，可以有效指导发动机舱布置设计，避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，做到了问题早发现、早解决，避免了量产后的模具更改，节约了时间和成本。
参考文献
[1]徐石安，肖德炳，等.发动机悬置的设计及其优化[J].汽车工程，1988，10（4）：12-23.
[2]徐石安.汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法[J].汽车工程，1995，17（4）：198-204.
[3]上官文斌，徐 驰.汽车动力总成悬置系统位移控制设计计算方法，2006，8（28）.
[4]上官文斌，蒋学峰.发动机悬置系统的优化设计[J].汽车工程，1992，14（2）：103-110.
[5]Geck P E， Patton R D. Front Wheel Drive Engine Mount Optimization[C].SAE Paper 840736.
[7]Johson S R， Subhedar J W. Computer Op timization of Engine Mounting Systems[C]. SAE Paper 790974.
[8]Swanson D A， Wu H T， Ashrafiuon H. Op timization of Aircraft Engine Suspension Systems[J]. Journal of Aircraft， 1993， 30（6）：979-984.endprint
摘 要：本文论述了动力总成位移计算方法的基本原理，并以某款轿车动力总成3点悬置系统为例，结合具体设计实际，论述了动力总成的悬置系统匹配、质心位移计算和包络的构建等方法。这种方法可以避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，对于动力总成悬置的设计和机舱的布置具有指导意义。
关键词：动力总成悬置系统；力-位移非线性关系；位移计算；包络；动态干涉
中图分类号：U462 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2014）02-0011-07
The Research of Powertrain Displacement Calculation Method and Envelope Construction
LI lin， LU Hong-fei， GE Yan-jie
（Shanghai Haima Automobile R&D Co.， Ltd. ， Shanghai 201201， China）
Abstract： This paper discusses the basic principle of calculation method for powertrain displacement. According to a passenger car's 3 point powertrain mount system and the specific design of the actual， it discusses the powertrain mounts system matching， centroid displacement calculation and envelope construction method. This method can avoid interference while small distance movement occur and has guiding significance to the powertrain mount design and underhood layout.
1 前言
由于汽车动力总成悬置系统为弹性元件，在汽车急加速、急减速、急转向、冲击、反跳等典型的各种行驶工况（典型的行驶工况约28种，故简称为28工况）下动力总成会产生一定位移，根据悬置性能的需求和动力总成与周边部件的间隙要求，动力总成的位移需控制在一定的范围内。动力总成在各工况下的位移和由此生成的运动包络可以有效指导发动机舱布置设计，避免因距离过小而导致的运动干涉问题的发生。
本文将根据动力总成悬置的力-位移特性的非线性关系，推导出了以迭代的算法计算动力总成质心的位移方程，并根据动力总成的位移制作其运动动画，依据运动动画生成运动包络，以动力总成的包络指导机舱的布置。通过某款轿车发动机悬置系统的匹配、位移计算、包络构建、包络应用等的具体设计实践，验证了该方法的有效性和指导意义，避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，做到了问题早发现、早解决，避免了量产后的模具更改，节约了费用和时间。
4 总结
将动力总成悬置系统简化为在其3个弹性主轴方向的刚度，并考虑悬置在弹性主轴方向的力-位移关系为非线性关系时，推导了悬置系统动力学分析的方程。同时结合某车型具体设计实际，论述了动力总成悬置的匹配，质心位移的模拟计算，动力总成包络的构建等方法，可以有效指导发动机舱布置设计，避免因距离过小而导致的运动干涉问题发生，做到了问题早发现、早解决，避免了量产后的模具更改，节约了时间和成本。
参考文献
[1]徐石安，肖德炳，等.发动机悬置的设计及其优化[J].汽车工程，1988，10（4）：12-23.
[2]徐石安.汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法[J].汽车工程，1995，17（4）：198-204.
[3]上官文斌，徐 驰.汽车动力总成悬置系统位移控制设计计算方法，2006，8（28）.
[4]上官文斌，蒋学峰.发动机悬置系统的优化设计[J].汽车工程，1992，14（2）：103-110.
[5]Geck P E， Patton R D. Front Wheel Drive Engine Mount Optimization[C].SAE Paper 840736.
[7]Johson S R， Subhedar J W. Computer Op timization of Engine Mounting Systems[C]. SAE Paper 790974.
动力总成控制系统 篇6
动力总成悬置系统衔接动力总成和汽车的车身, 主要作用是支撑动力总成、减少动力总成振动对整车的影响、限制动力总成的抖动量, 对整车NVH性能起着非常大的作用。合理设计动力总成悬置系统的参数, 既能降低车辆的噪声与振动, 改善车辆行驶的平顺性, 又能保证动力总成的耐久性与可靠性, 避免动力总成零部件的过早损坏。因此, 在现代汽车的设计中, 动力总成悬置系统的结构及参数设计受到了越来越多的关注。
本文借助商用有限元分析软件ANSYS, 对非线性材料的发动机橡胶悬置系统进行尺寸优化设计, 通过改变橡胶悬置的外形尺寸来满足三向刚度的设计要求, 适用于悬置安装空间可变化的情况。
1 问题描述
某型载货汽车的发动机前悬置如图1 (a) 所示, 表1为其各方向的动刚度, 橡胶材料的邵氏硬度为A60, 动态刚度与静态刚度的比值为1.35, 发动机正常工作时, 橡胶悬置的压缩量不超过5%, 通过有限元分析, 确定满足刚度要求的橡胶悬置的尺寸, 要求悬置静刚度误差控制在10%以内。
N/mm
2 借助ANSYS软件进行橡胶悬置的结构优化设计
此橡胶悬置可以简化成长方体橡胶块如图1 (b) 所示, 首先求悬置的静刚度。
X方向的静刚度Ksx=Kdx/1.35=490÷1.35=363 N/mm;
Y方向的静刚度Ksy=Kdy/1.35=100÷1.35=74 N/mm;
Z方向的静刚度Ksz=Kdz/1.35=80÷1.35=59 N/mm。
借助ANSYS对该橡胶悬置进行有限元分析与结构优化设计。进行结构优化设计, 首先根据设计要求确定设计变量、状态变量和目标函数:
设计变量:长L (40 mm≤L≤80 mm) , 宽B (30 mm≤B≤60 mm) , 高H (30 mm≤H≤70 mm) , 设计变量的上下限由悬置的安装空间确定;
状态变量:Y方向剪切刚度Ky (71N/mm≤Ky≤77N/mm) , Z方向剪切刚度Kz (56 N/mm≤Kz≤62 N/mm) , 状态变量的上下限由剪切刚度的误差计算得到。
目标函数:X方向的最大位移DEFL。发动机工作时, 悬置的压缩量在5%以内, 因此在分析文件中用线性近似代替橡胶的非线性, 将整个压缩过程的材料弹性模量视为常数。在悬置上施加的载荷为 (363×h×0.05) N, 如果X方向的最大位移为0.05h, 则表示橡胶块X方向的刚度为363 N。所以目标函数定义为X方向的最大位移, 考虑到ANSYS优化方向是使目标函数尽可能小, 所以分析文件中定义的目标函数是X方向的最大位移同0.05h之间的差值。
ANSYS求解的命令流代码如下:
以上代码为文本文件yh.TXT的内容, 选择Utility Menu>File>Red Input From命令, 通过Read File对话框读入文本文件, ANSYS开始运行此优化过程。选用的优化方法是零阶方法, 最大迭代次数是20次。优化结束后在命令输入框中输入/OPLIST, ALL可以查看优化结果。图2是优化的部分设计序列。
如图2所示, 其中左右带*的SET 17是最优解, 此时
Ky=76.86 N/mm, 误差为 (76.86÷74-1) ×100%=3.8%;
Kz=61.86 N/mm, 误差为 (61.86÷59-1) ×100%=4.8%;
Kx的误差为[ (0.05H+0.09) / (0.05H) -1]×100%=3.3%。
以上误差均满足要求, 取B=41 mm, L=67 mm, H=52 mm, 即矩形橡胶悬置的长、宽、高分别为67 mm、41 mm、52 mm。
3 结语
本文介绍了利用ANSYS软件进行尺寸优化的方法步骤, 并对某型发动机的前悬置进行了尺寸优化, 给出了具体的命令流。
当悬置的安装空间没有要求时, 可用通过对悬置外形尺寸 (如长、宽、高) 的设计优化来满足三向刚度的要求。但是, 当悬置的安置空间已经确定, 就不能采用改变其外形尺寸的方法来满足刚度的要求。这种情况下, 可以对橡胶悬置进行拓扑优化, 通过在其内部设计孔洞改变不同方向的刚度, 从而使整体满足三向刚度的要求。
参考文献
[1]刘旭.新型橡胶隔振支承的设计探讨[J].机械, 1996 (6) .
[2]郑明军, 谢基龙.压缩状态下橡胶件大变形有限元分析[J].北方交通大学学报, 2001 (1) :76-79.
动力总成控制系统 篇7
汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架或车身之间的弹性连接系统, 它起着支承、隔振和限位的作用, 该系统性能设计的优劣直接关系到发动机振动向车体的传递, 影响整车的NVH (noise, vibration and harshness) 性能[1]。
汽车动力总成悬置系统优化通常以悬置的刚度、安装位置、角度和动力总成惯性参数为设计变量, 以悬置系统解耦度和动力总成固有频率为优化目标[2,3,4]。由于本文所优化车型受整车布置的限制, 悬置的位置及安装角度不易改变, 所以, 考虑到实际情况, 可通过改变悬置的刚度使系统弹性轴 (elastic axis, EA) 和扭矩轴 (torque roll axis, TRA) 尽可能平行并提高系统解耦度, 以此降低系统的振动[5]。
本文运用ADAMS/Insight对总成悬置元件的刚度参数进行灵敏度分析, 确定最敏感的变量;通过MATLAB软件对动力总成悬置系统的弹性轴和扭矩轴进行计算并确定其位置;结合能量解耦优化法[6,7,8]对悬置系统进行优化后, 悬置系统弹性轴和扭矩轴几乎达到平行且提高了动力总成悬置系统的解耦率。
1 动力总成悬置系统建模
图1所示为一动力总成横置、前轮前驱的动力总成悬置系统的六自由度模型 (3个平动自由度和3个转动自由度) [9]。在动力总成上建立一个动坐标系G0?XYZ描述动力总成的运动, 原点G0位于动力总成质心, X轴水平指向汽车后方, Y轴平行于发动机曲轴轴线方向并指向发动机前端, Z轴垂直曲轴向上。将动力总成坐标系分别沿X、Y、Z轴平移位移x、y、z, 同时绕X、Y、Z轴转动θx、θy、θz, 从而得到新的坐标系G?XYZ, 将此坐标系定义为整车坐标系并用q (t) 表示。从而动力总成运动位置在整车坐标矢量q (t) 下可表示为
在实际车辆中, 动力总成悬置系统为六自由度有阻尼振动系统。阻尼可有效地减小系统共振峰值。因为系统的阻尼对系统解耦影响较小, 所以在优化动力总成悬置系统解耦率时, 可忽略阻尼的影响[1]。对上述动力总成悬置系统力学模型建立六自由度无阻力自由振动微分方程[10?12]:
式中, x、Q分别为位移向量与力向量;M、K分别为惯性矩阵和刚度矩阵;m为动力总成的质量;Jxx、Jyy、Jzz为动力总成绕各坐标轴的转动惯量;Jxy、Jyz、Jzx为动力总成对应下表平面的惯性积;Ei为悬置系统的悬置点坐标位置组成的矩阵;Bi为悬置的安装方向角余弦值组成的矩阵;Di为悬置三向刚度组成的矩阵。
系统的特征值λ与特征向量φ通过广义特征值问题确定:
悬置系统主运动解耦程度是目前对悬置隔振性能评价所广泛采用的评价指标之一, 它是主振动中各自由度的能量分布百分比, 即各自由度振动能量与振型总能量的比值。第j阶振型中第k个自由度的振动能量占该阶运动总能量的百分比可表示为
式中, φj为第j阶振型向量;ek为第k个元素为1的六阶单位列向量。
理想情况下可以实现系统振型完全解耦, 即Gkj=100%。而实际工程中, 受条件的限制, 一般难以实现完全解耦, 因此取每阶振型中能量最大的自由度所占的能量百分比为此阶振型的解耦度, 即
2 悬置刚度灵敏度分析及动力总成扭矩轴和弹性轴计算
2.1 悬置刚度灵敏度分析
动力总成悬置系统优化设计时, 常采用以提高系统各阶解耦率为目标、以悬置参数为优化变量的设计方法[13,14]。由于本文研究车型受整车布置限制, 因此本文只对悬置刚度参数进行调整。为了简化优化数学模型, 节省优化时间, 通过ADAMS建立该车型动力总成悬置系统六自由度模型对优化变量进行灵敏度分析是非常必要的。灵敏度分析主要目的如下:剔除低灵敏度的设计变量, 在优化计算时将其作为常量处理;为优化计算时确定约束条件和初始点提供依据。
2.2 动力总成扭矩轴和弹性轴计算
2.2.1 扭矩轴
将动力总成视为刚体, 当它在无约束状态下受一转矩时将绕一轴旋转, 此轴即为动力总成扭矩轴。扭矩轴位置与总成系统的质量和惯性矩有关, 与悬置参数无关。动力总成扭矩轴位置计算如下:
其中, fTA为作用在扭矩轴上的单位力矩矢量, 例如, 当整车坐标系Y轴平行于扭矩轴时, fTA= (0, 0, 0, 0, 1, 0) T。
2.2.2 弹性轴
将动力总成视为没有质量的刚体, 当它在悬置的支承下受一转矩时将绕一轴旋转, 此轴即为悬置系统的弹性轴。弹性轴的位置与悬置的安装位置、安装角度和悬置刚度有关:
用MATLAB编制了计算动力总成悬置系统扭矩轴和弹性轴位置的程序。通过输入动力总成悬置系统参数得到扭矩轴和弹性轴在整车坐标系下的位置, 以此反映出悬置系统的振动情况。
3 实例分析
3.1 原始参数
汽车动力总成悬置系统优化所需的相关参数可以通过相应的测试和计算获得。表1所示为某动力总成系统各个悬置在整车坐标系中的位置坐标;表2所示为各个悬置的三向刚度值;表3所示为动力总成在整车坐标系中的转动惯量。总成质量为153.9kg, 总成质心在整车坐标系中的位置为 (-172.759, 4.467, 183.733) (mm) 。
mm
N/mm
kg·m
3.2 系统初始特性
3.2.1 系统初始解耦特性
基于悬置系统原始数据, 按照图1所示模型, 在ADAMS软件中建立其六自由度多体系统动力学模型, 利用ADAMS/Vibration模块进行模态分析, 得到表4所示的原悬置系统1~6阶振型和解耦率。表4中数值的大小代表解耦程度的高低, 若其值为100%, 则代表系统在做某阶模态振动时能量全部集中在该广义坐标上, 称此阶模态完全解耦。由表4可以看出, 系统振动解耦率除了沿Y、Z方向上比较理想外, 其余方向都存在多方向的耦合, 特别是第5、第6阶模态中RX向与RY向 (即绕X、Y轴转动方向) 耦合度很高。为了使系统有较好的隔振性能, 各阶振动解耦率应在85%以上, 沿Z方向和绕Y轴转动方向振动解耦率应在90%以上。
%
3.2.2 系统初始扭矩轴和弹性轴位置
将悬置系统原始数据输入用MATLAB编写的扭矩轴和弹性轴位置的计算程序中, 得到悬置系统初始扭矩轴和弹性轴位置, 如图2所示。
由图2可知, 扭矩轴和弹性轴不平行。理想的悬置系统的扭矩轴、弹性轴和左右悬置连线是保持平行的。
3.3 悬置系统优化结果分析
3.3.1 刚度灵敏度分析
本文利用ADAMS/Insight软件, 以解耦率为目标对12个悬置刚度变量进行灵敏度分析, 以找出对目标影响较大的变量, 如表5所示。由表5可看出:X方向上解耦率对kx2 (贡献率27.2%) 最为敏感, 对ky2 (贡献率14.4%) 较为敏感;Y方向上解耦率对kx2 (贡献率35%) 最为敏感, 对ky2 (贡献率20.2%) 较为敏感;Z方向上解耦率对kz2 (贡献率31.9%) 最为敏感;RX和RY方向上解耦率对kx4最为敏感, 对kx3比较敏感;RZ方向上解耦率对kx1最为敏感。综上所述, kx2、ky2、kz2、kx4、kx1和kx3是对6个方向的解耦率影响最大的变量。
3.3.2 悬置系统优化后解耦特性
结合表4, 需要对除Z方向外, 其余5个方向的解耦率进行优化。为了提高优化效率, 将影响最大的5个悬置刚度值 (kx2、ky2、kx4、kx1和kx3) 设为变量, 悬置刚度变化#20%, 其余参数均设为常数。优化后悬置刚度值如表2所示, 优化后悬置系统6个方向振动耦合的能量分布如表6所示。
对比表4和表6, 优化后, 对振动影响较大的垂向 (Z向) 平动的解耦率保持在98%左右, 绕Y轴 (RY向) 转动的解耦率从69.9%提高了到94%, 其余几个方向的解耦率也都提高到了预期目标。
3.3.3 悬置系统优化后扭矩轴和弹性轴位置
悬置刚度优化后, 悬置系统扭矩轴和弹性轴位置如图3所示。对比图2和图3, 优化后的悬置系统扭矩轴和弹性轴基本平行, 从而验证了系统有更好的解耦特性。
4 试验验证
为检验优化结果的合理性, 对悬置刚度调整前后的整车进行了路况测试, 主要测试了车速为40, 60, 90, 120, 140km/h时, 车辆底盘的振动加速度值, 通过对测试数据进行处理得到车辆底盘的振动曲线[15], 结果如图4所示。
国际上使用最广泛的车辆平顺性和振动舒适性标准是BS6841-1987和ISO2631-1-1997, 均采用加权加速度均方根值作为基本评价指标[15]。从图4中可以看出, 采用刚度优化后的悬置元件, 车辆底板的振动加速度均方根值明显减小, 这样会有效提高整车的平顺性和舒适性。由此可见, 悬置刚度灵敏度分析结果可以为优化计算时确定最佳优化变量提供依据, 提高优化效率。
5 结语
灵敏度分析技术可实现产品的快速优化, 尤其对复杂的汽车系统进行动力学分析, 能够快速了解各参数对汽车系统响应的影响。本文对悬置刚度参数进行了灵敏度分析, 用MATLAB编制了计算动力总成悬置系统扭矩轴和弹性轴位置的程序。以提高系统解耦率及使动力总成悬置系统的扭矩轴和弹性轴平行为目标, 对悬置刚度进行了优化。最后对优化后的整车进行了路况测试, 结果显示整车的平顺性和舒适性有了较大改善。
摘要：针对某车动力总成悬置系统振动耦合严重的问题, 建立了该车动力总成悬置系统六自由度模型, 通过ADAMS/Insight模块对悬置元件的各刚度参数进行灵敏度分析。以分析找出的主要敏感参数为设计变量, 结合振动解耦理论, 以提高系统解耦率及使动力总成悬置系统的扭矩轴和弹性轴平行为目标, 对该悬置系统参数进行了优化, 并对优化前后车辆进行了路试验证。结果表明, 优化后的悬置系统隔振能力有了较大提高, 说明通过对相关参数进行灵敏度分析, 减少设计参数, 可提高优化效率。
混合动力汽车动力总成设计构想 篇8
1 高压共轨柴油机电控技术简介
高压共轨柴油发动机采用电子控制单元 (Electronic Control Unit简称ECU) 从传感器 (油门位置、转速、大气状态、水温、共轨压力) 获取信息, 结合约束条件, 查找预先设定好的MAP, 调整喷油器的主喷, 预喷和后喷 (可选) 时长, 达到控制喷入气缸油量目的。博世高压共轨柴油机电控系统以转速为输入, 结合转速、油门来控制油量和喷油时间, 高压共轨柴油系统以扭矩为输入, 控制最后的油量和喷油时间。
2 电机驱动系统控制简述
电机驱动系统作为类似发动机功能单元的动力单元通常由电机和电机控制器组成。而电机控制器由电机控制器核心板, IGBT驱动电路, 控制电源, 结构和散热系统, 高压开关控制电路组成。控制器核心板负责接收整车控制器的指令并反馈信息, 检测电机系统内传感器信息, 根据指令和传感器信息产生逆变器开关信号;IGBT驱动电路接收CPU板开关信号并反馈信息 (如各相电流) , 放大开关信号并驱动IGBT, 提供电压隔离和保护功能;控制电源为CPU板和驱动电路提供多路相互隔离的电源;结构和散热系统则为电力电子模块散热, 支撑组件安装并提供环境保护;高压开关控制电路负责接受信号将直流电源能量传递给逆变器, 减少突然接通电路的大电流冲击。
各种电机转矩-转速特性在加减速或速度调节情况下都服从运动学方程Te-TL=J*dn/dt (Te为电磁转矩, TL为负载转矩, J为转动惯量, n为电机转速) , 对于恒定负载或者突加减负载, 只需要控制电机电磁转矩即可。
以某型号永磁同步电机 (额定75kw, 输出扭矩540N.m) 控制为例, 接收扭矩请求后将扭矩控制转化为定子q轴电流PI调节;励磁或弱磁控制部分转换为定子d轴电流PI调节[2]。空载情况下在线修改整车控制器RAM指令, 经过CAN总线发送给电机控制器, 0-1.48秒间发命令扭矩20N.m, 转速上升斜率较小, 1.48秒时刻更改为40N.m命令扭矩, 转速上升斜率变大, 在低速空载情况下电机经过报文发出的扭矩和命令扭矩有差异, 真实值需在测功机上测量。电控发动机和电机控制可实现CAN总线模式下转速和扭矩控制, 发动机ECU其通讯协议遵循SAE J1939, 电机控制通讯协议需要自行设定。
3 整车电控技术原理和设计
基于以上对发动机和电机控制的认识, 在并联式混合动力客车中可类比传统柴油车的控制方式, 由司机加速踏板开度 (即传统车油门) 和制动踏板开度, 发动机及电机转速, 并结合发动机水温等约束条件分配二者扭矩。对于串联或者增程式混合动力客车, 尽可能使得发动机转速位于经济区域, 即主要是发动机转速控制和发电机的扭矩控制。除了发动机和电机自带的ECU, 需要另外设计整车控制器 (Vehicle Control Unit简称VCU) 。
3.1 整车控制原理
串混或增程式系统主要驱动力来自驱动电机, 根据电机转速和加速踏板及制动踏板查询扭矩需求得到驱动电机的需求扭矩, 再结合A-PU (即发动机-发电机系统所能提供的电流限制) 得到电机的目标扭矩, 该目标扭矩由整车控制器经过CAN报文发送给电机控制器, 而电机需求扭矩转化为能量需求并结合电池 (或者超级电容) 电压以及剩余电量SOC转化为APU电流需求, 再经CAN总线实现对发动机转速和发电机扭矩 (或者励磁PWM) 需求。
对于并联混合动力, 由于发动机的转矩响应受瞬态空燃比控制燃油补偿等因素较目标扭矩迟滞, 而电机的扭矩响应在毫秒级, 可认为是瞬变量。若某一时刻目标扭矩是600N.m, 分配给电机和发动机扭矩分别是200 N.m和400 N.m, 必然导致瞬间合成扭矩和目标扭矩差异较大影响舒适性, 以并联式混合动力客车从纯电动切换到发动机单独驱动为例, 电机目标扭矩瞬间变为0, 此时发动机输出扭矩尚未输出到位将导致动力中断, 需要电机转矩补偿或者延缓电机响应。
3.2 VCU硬件结构
设计一款采用freescale S12X系列处理器的VCU, 负责采集挡位, 加速踏板和制动踏板信息, 并根据转速或者车速信息, 发送扭矩命令给电机控制器和发动机ECU (也可用总线油门或者硬件油门信号) ;对于带有自动变速箱的车辆, 需要根据挡位和位置传感器由H桥电路控制离合器或者选档换挡执行器;对于串联式混合动力汽车, 通常需要控制发电机励磁或发电机扭矩需求。
发动机ECU的RAM设计为1-2MB, 单片机自身RAM通常难以达到, 需要另外用地址数据总线扩展, 可标定数万个浮点型变量和若干一维和二维MAP。S12X处理器RAM为64KB, 在标定变量不是特别大的情况设定某个RAM地址区域用于MAP和可调整参数标定, 通常使用CAN Calibration Protocol (CCP) 协议。
3.3 VCU软件结构
在codewarrior下新建工程文件project后, 手工代码完成硬件层驱动程序, 如CAN, AD, PWM等功能。控制策略部分通常采用Matlab Simulink中进行上层算法建模仿真调试, 其软件结构通常分为初始化和步进执行两部分。初始化不进入无限循环只需要执行一次, 而步进执行部分分不同的周期需要在无限循环中执行, 该周期需要在simulinkconfigue中设置且须和project中执行周期一致。然后利用Real-Time Workshop工具箱对上层算法进行自动代码生成。最后需要在Codewarrior集成开发环境中将生成的C代码形式的上层算法与手写代码进行拼接, 整合与调试, 编译连接之后生成在单片机环境下运行的可执行文件, 可通过串口或者CAN下载已经编写bootloader的VCU中。
4 结束语
以扭矩为切入点分析发动机和电机控制的共性从而扩展应用到混合动力汽车研发是本文的主要脉络。建立在Freescale S12X处理器平台的整车控制器可实现simulink算法生成代码, 并通过扭矩命令 (或者转化为发动机油门) 实现对电控发动机和电机的控制可以应用于混合动力汽车开发。
参考文献
[1]黄海燕.汽车发动机试验学教程[M].北京:清华大学出版社, 2009.
动力总成制造 篇9
节能、减排成为越来越多的汽车从业者关注的话题, 而这些目标的实现都离不开作为汽车核心的动力总成部分。动力总成由很多部件构成, 节能、减排目标的实现有赖于对每一个零部件细微设计及加工技术的掌控和提升。
有限元分析在现代汽车制造业中应用越来越广泛, 有效地使用它, 不仅要求熟练得掌握, 而且要求丰富的经验积累, 以便对分析结果进行验证和修正。您知道发动机的缸孔在装配前后发生了哪些变化吗?一个不起眼的螺旋线也许会造成发动机的漏油。你每天都在用的总装工具是否可靠?发动机中涡轮增压器叶轮的制造经历了哪些步骤, 看国家涡轮增压重点实验室是怎么做的。提出问题, 解决问题, 最主要的是引起思考!
新能源动力总成的自主创新 篇10
中国的传统汽车工业是“以市场换技术”的典型产业, 20多年实践的结果是:极为宝贵的资源——轿车市场的绝大部分轻易地让出去了, 但掌握先进技术、开发自主品牌汽车的目标, 基本没有达到。仅换来一般的制造技术, 没有产品开发方面的核心技术, 其根本原因就在于外方掌握着关键零部件的核心技术, 中国政府已深刻地意识到这一点。《节能与新能源汽车发展规划 (2011年至2020年) 》 (以下简称《规划》) 出台后, 中国自主创新的核心零部件将成为新政策的最大受益者, 电动机、电控、电池等核心零部件企业将进入高速发展期。根据《规划》, 2020年中国将形成支撑电动汽车大规模产业化的关键零部件产业体系, 形成关键零部件大型企业集团。在动力电池、电动机、电控等关键零部件领域, 分别形成3～5家骨干企业, 产业集中度超过60%。
因此, 金田公司不失时机地通过科技创新、自主创新也进入了新能源汽车的快行线, 为中国汽车工业的振兴贡献微薄之力。
金田动力总成的研发与制造
无锡金田精密模具有限公司纯电动轿车动力总成的研发与试制始于2011年, 7.5～50kW直流永磁无刷电动机、电动机控制器、两挡式自动变速器已开发成功。
金田公司平稳增长的同时一直谋求产业结构的延伸及转型, 坚持科技创新、自主创新, 经多年努力整合组建了一流的研发团队, 在两挡式自动变速器、各类电动机控制、电池管理及整车控制策略等领域, 具有自主开发能力。目前已与湖南大学、合肥工大及江苏大学签订了院企联合协议书, 共同研制新能源轿车动力总成。基于产品的核心技术, 自行研制各种试验验证平台和开发平台, 既缩短了新产品开发周期, 又降低了开发费用。尤其是在保证产品综合性能的前提下, 设计开发、试验、批产具有融会贯通的能力, 可进一步优化组合国内的配套资源, 使开发的新产品具有更高的性价比。对多数企业而言, 一般只能委托国外或国内大公司供应产品的生产线、试验台, 开发各类测试软件等, 导致设备投入的周期长、费用高。而金田公司具备的设计开发能力和制造能力, 只需很少的资金投入, 就能满足产品开发、试验验证、批量生产的各项要求。在这一过程中形成的技术积累还可以不断进行升级优化, 又回馈到设计、试验验证、生产等环节中, 使公司的整体实力不断地提升, 具有可持续发展的优势。
金田公司由于掌握了电动机、两挡式自动变速器、整车控制、电池管理等关键技术, 有条件按整车动力总成的一体化进行系统优化, 因此更具备进行纯电动汽车、混合动力汽车的动力总成集成的综合优势, 将会在国内市场保持领先优势。产品性能居国内领先, 接近国际先进水平, 价格仅为国外同类产品的60%～70%, 故比国内外同类产品更具有市场竞争的优势。
金田的核心技术
现代电动轿车的核心技术是高效、清洁以及智能化地利用电能驱动车辆。其关键技术包括汽车制造技术、电子技术、信息技术、能源技术、电力驱动技术、能量管理技术、自动控制技术、材料技术、化学工艺技术和优化技术等, 还涉及智能交通网络互联、全球定位和自动驾驶等相关技术。将相关的技术全面整合, 并且控制好成本是新能源轿车技术成功的核心。
金田公司正是通过新能源轿车动力总成的研发制造切入到新能源汽车行列, 目前掌握了七项关键技术。
1. 新能源轿车两挡式自动变速器
要保证新能源汽车的动力性与电池的续驶里程, 必须为新能源汽车动力传动系配置一套两挡式自动变速器。经过调研, 目前国内没有生产此类新能源汽车两挡自动变速器的厂商, 现在国内混合动力、纯电动汽车电动机驱动动力总成, 采用的是定速比的减速机构, 只能满足起步与低速工作要求设计的减速比, 不能满足高速使用要求;反之, 如果设计满足高速要求, 则使用时电动机经常在低效的恒转矩工作区段, 耗能偏大, 使车载电源的续驶里程受到严重影响。因此, 新能源汽车的传动系迫切需要一种变速机构来满足上述两种使用要求。金田公司新能源汽车两挡式自动变速器 (见图1) 的研发制造成功, 填补了国内新能源汽车技术领域在此方面的空白。
如图2所示, 在相同循环工况下, 采用两挡变速的电动机最高转速小于6500r/min, 而采用固定速比电动机最高转速大于9000r/min。采用两挡变速的电动机运行工作点更加趋向于高效率区, 综合效率提高大于8%。采用两挡变速, 对电动机的功率和转速要求降低, 电动机的重量、体积和成本都会相应减少。在低速工况下, 是由机械变速速比来决定动力输出扭矩, 因此降低了电池的放电电流强度, 延长了电池使用寿命。在同等工况条件下, 还可以延长续驶里程。
2. 直流永磁无刷电动机
金田公司针对新能源轿车动力总成研发制造的7.5～50k W的直流永磁无刷电动机 (见图3) 已成功通过测试。其特点如下:具有高的转矩密度和功率密度;具有非常宽的速度运行区间, 可以覆盖低速爬行区和高速巡航区;在较大的转矩和转速范围内, 都能保持高的运行效率;具有很宽的恒功率运行区间;具有较高的转矩能力, 可以帮助电动轿车起动和爬坡;具有较大的过载能力;具有较高的可靠性和鲁棒性, 从而可以运行在各种车况下;很低的噪声;能在宽的速度范围内, 具有较高的发电效率和合理的电压调节范围;结构紧凑, 体积较小, 重量轻;价格合理。
3. 电动机控制器
电力驱动系统是电动轿车的心脏, 而电动机驱动装置是电力驱动系统的核心。金田公司针对新能源轿车动力总成研发制造的控制器 (见图4) , 采用了以人工智能为参考的控制策略, 概括为人工智能控制 (AIC) , 如模糊逻辑控制、神经网络控制和模糊神经网络控制等, 实现了真正的专业变频控制。
用模糊逻辑控制、神经网络控制来驱动直流永磁无刷电动机是当前最先进的控制方案, 它可以比较有效地处理系统的非线性和对参数的敏感性。该控制系统还兼顾到效率最优控制 (EOC) 和直接转矩控制 (DTC) 的策略。直接转矩控制并不依赖于电流控制, 也对电动机参数变化不敏感, 它可以独立控制转矩和磁链两个变量, 按照预定的转矩和磁链曲线, 通过逆变器输出相应的电压矢量, 从而使转矩和磁链按照预定的曲线运行, 通过电枢电流和电励磁电流的在线协调控制, 能实现电动机的效率最优控制。
该控制器还可对两挡式自动变速器上的转速传感器及位置传感器数据进行采集和分析, 并实现无冲击的自动换挡, 提高了驾驶舒适性。该控制器留有CAN总线接口, 可与整车控制器进行数据通信, 还具备再生制动功能 (ERB) 。在满足制动规程 (ECE) 条件下, 基于车速、制动踏板行程、能量储存装置的荷电状态, 以及预置在控制器中的控制准则, 控制电制动的运行。因为控制了机械和电制动转矩, 所以能获得满意的制动效果, 并尽可能多地回收可用的再生制动能量, 进而提高续航里程。该控制器使用的是目前较先进的电器元件, 功能强大而成本低、体积小, 能完全符合电动轿车的技术要求。
该控制器具有如下特点:高功率密度和高瞬时输出功率;在电动轿车低速或者爬坡时, 能提供低速大转矩输出, 高速时能为巡航提供高速地转矩特性;具有宽调速范围, 包括恒转矩区和恒功率区;转矩响应快速;在较宽的转速和转矩工作区内, 保持较高能量效率;再生制动时, 可实现高的能量回收效率;在各种工况下, 具有高的可靠性和鲁棒性;电器元件先进, 体积小, 节省空间;价格合理。
4. BEV动力总成技术
金田公司自主研发了两挡自动变速器、电动机、控制器等核心零部件, 完全拥有核心技术的优势在于:对新能源轿车动力总成进行集成和持续改进、不断优化, 保证产品具有高性能和低价位的双重优势。优秀的研发团队在不断完善已有产品技术状态的同时, 还可根据市场需求连续研发能满足客户所需要的新品, 具备了可持续发展的基础。
5. 核心部件及动力总成的测试技术
测试与产品研发同等重要, 金田新能源工程技术研究中心在湖南大学及合肥工大的技术支持下, 自主研发制造相关的各种测试台架, 编制测试软件, 通过连续的试验, 逐步建立自己的数据库, 并据此进行产品的优化。
6. 能量管理系统 (BMS)
当前, 电动轿车的车载能量源还比不上燃油汽车, 因此为了最大限度地利用电动轿车所带有的能量源, 以便增加行驶里程, 需要相应的能量变换系统, 并优化能量管理系统。金田公司正在研发的BMS可通过安装在电动轿车内的各种传感器得到所需要的全部信息, 从而可以实现以下功能:优化系统能量流;实时显示所剩的能量和可继续行驶的里程数;提供最佳的驾驶模式;从制动过程中获取能量并存储;根据外界气温, 实时调节车内温度;根据外界光照条件, 自动调节车内外的灯光系统;分析能源, 尤其是蓄电池的工作记录;诊断能源错误的工作方式, 并监控能源的运行状况。
另外, 通过把BMS系统和电动轿车导航系统结合起来, 就可以规划能源的最佳利用, 锁定充电站的位置。
总之, 该BMS系统可以最大限度地利用电动轿车的能源, 优化配置, 使电动轿车高效运行。
7. 混合动力汽车 (HEV) 动力总成
目前湖南大学申报的国家863项目中的混合动力汽车动力总成项目已经获批, 金田公司就是该项目的主要实施者。
金田公司研发团队的不断努力使纯电动轿车 (BEV) 动力总成技术日趋成熟, 在此基础上开展混合动力汽车 (HEV) 动力总成关键技术的研究水到渠成。运用混合动力控制系统理论和设计工具, 分析混合动力汽车功率分配中的能量管理和控制策略, 利用遗传算法全局优化, 实现混合动力汽车功率控制策略的优化, 主要解决混合动力汽车燃油经济性优化和基于遗传算法的多目标优化等问题, 从而达到降低混合动力汽车燃油消耗和改善排放的目的。
金田公司目前研究的HEV动力总成技术是基于湖南大学所研制并已量产的无级变速器 (CVT) , 故而能打破国外在HEV汽车核心技术上的垄断, 填补国内空白, 达到国内领先的水平, 下一步将依托金田公司积极推动该技术在实车上的应用。
金田的产业化能力
金田公司支撑研发团队的基础是已经具备的高端精密制造及非标设备、生产线设计制造能力。
1.总装线
以10万台/年的BEV动力总成生产为例, 研发其柔性自动装配线所涉及的关键技术及装备。
金田公司研制的两挡式自动变速器及BEV动力总成自动装配线 (见图5) 所遵循的几项原则为:保证安全, 安全保障措施达到“STOP6” (指杜绝六种不安全因素, 即可能被夹住或卷入、与重物接触、与车辆接触、可能坠落、可能触电、与高热物接触) 的要求;保证产品质量, 体现“质量在工序中保证”的思想, 保证产品质量的措施齐全和有效, 出现质量异常时生产线能自动停止;成本一定尽可能低;体现准时化思想, 具备较高的可动率;具备柔性化, 能根据市场情况进行一定范围内的产量调整, 同时兼顾一定范围内的品种通过性, 可快速换型;采用模块化的设计理念。模块的功能相对完整, 同时受整个装配线集中控制。根据需要选择不同模块构建成自动化装配生产线, 从而形成适应多品种共线生产柔性装配线。
2.各类测试台架
动力总成在研发及产业化过程中, 质量的保证最重要, 而其核心是各种检测方法。金田公司经过多年的技术积累及专家的指导, 已具备自主研制各类相关测试台架的能力 (如动力总成性能测试台和疲劳寿命测试台) , 以保证产品质量。
结语
中国与西方发达国家在新能源汽车方面的差距, 相比在传统汽车技术领域要小许多。最起码, 所有的汽车企业在市场拓展上几乎都处于同一水平。
金田精密模具有限公司将坚持“智慧引领未来”的理念, 不断进行技术创新和产品开发, 与国内有关科研院所建立长期密切合作关系, 创立“以技术为纽带, 以项目为载体, 优势互补, 共同攻关”的模式, 努力做到产品品种、工艺技术和质量达到国际水平, 并不断开发新产品。