前横置动力Key On/Off 瞬态振动响应特性研究

2007-01-2283

Study onTransient Vibration Response Characteristics of Front Transverse Power Train atthe Key On/Off

Young chan Lee

HYUNDAIMotor Company

Copyright. 2007 SAE International

摘要

本研究的目的是减少发动机起动或停止时驾驶员座椅的振动。总的来说，这是车辆开发阶段NVH性能的一个重要研究课题。然而，由于测试小组在最后一个开发阶段使用试错法对该项目进行评估，因此很难改善该振动性能因此，本研究旨在通过以下方式克服目前的问题：

1、通过激振力、传递系统和响应系统对启停特性进行了全面的研究，确定了机理，并通过实验和CAE分析对研究结果进行了验证。

2．开发CAE分析技术，对keyon/off性能进行定量预测。这种方法可以在车辆开发阶段早期应用，以便有更多的时间改进和优化设计。

前言

汽车的振动特性是影响汽车平顺性和舒适性的重要因素之一。因此，汽车企业普遍采用各种设计研究、CAE等方法来开发汽车，以提高汽车的平顺性和舒适性。当驾驶员启动或停止发动机时，钥匙key on/off振动会给车辆留下第一个和最后一个印象。近年来，汽车生产商为改善汽车key on/off振动进行了各种各样的研究。然而，目前还没有一个系统的研究来分析影响key on/off振动的因素，寻找降低key on/off振动的设计方案。而且，目前的测试程序可能无法在开发初期找到优化的安装点，这将有更多的机会优化安装布局。

KEY ON/OFF振动动力学

keyon/off振动是一种与包括动力总成、车身和底盘系统在内的整车系统有关的现象。因此，在车辆系统级考虑启停振动性能至关重要。以下是对激振力、动力总成的最终运动和车辆的最终响应的顺序描述。

首先，激振力使缸体旋转。在发动机起动或停机过程中，点火转矩的快速转变改变了曲轴的角加速度和相关转动部件的反作用转矩，作为激振力作用于缸体。

其次，发动机内部扭矩变化引起的缸体Roll运动表现为一个传递系统。虽然激励在Roll方向上，但由于惯性轴和弹性轴的扭矩滚轴对悬置衬套刚度的影响，它将平移和旋转运动结合在一起。

第三，动力总成与车体的空间运动具有作用与反作用的关系，它表现为一个依赖于动力总成运动的key on/off振动响应系统。下一章将详细介绍激振力、传递系统和响应系统。

图1 动力总成坐标系统

为了克服上述问题，本研究发展了keyon/off振动理论，并进行了实验验证，最后给出了在设计初期应用CAE分析技术进行改进的实例。

激励力

在发动机起动时，点火力发生在发动机内部，使曲轴旋转。曲轴与飞轮、连杆等与其相连的零件一起转动。此时，活塞头在正常方向上推动发动机气缸壁的力、力的乘积和曲轴中心轴到力作用点的距离矢量的扭矩将被施加到发动机机体上。

Icrank是由于所有旋转和往复部件而产生的等效惯性。在低速时，可以忽略方程（2）的右第一项惯性力矩。因此，合成扭矩由曲轴角加速度和转动惯量（如方程式（3））的乘积表示。这种合力使动力总成转动，其roll运动在安装点处产生反作用力。式（4），（5）分别描述了动力总成的转动惯性力和悬置点反作用力产生的扭矩。

动力总成在发动机起动时刚体运动的力矩平衡方程由方程（6）表示。

也就是说，由内发火力引起的合成扭矩是动力总成的惯性力和图2中所示的反作用力的力矩之和。

图2 激振力动力学

传递系统

发动机起动时，前横置发动机的激振力几乎是纯旋转的。但是，动力总成除了由激振力的Roll分量引起的旋转运动外，还有其它运动。一般来说，动力总成刚体运动方程由方程（7）表示。

在对无约束动力总成施加纯转矩的情况下，方程式（7）也可以表示为方程式（8）。假设在动力总成悬置上没有弹性和阻尼作用，它在滚转激励下旋转，将转矩滚转轴（TRA）定义为方程（8）。TRA是通过动力系质量质心（C.G）的旋转中心轴。

并且，在不依赖惯性力和阻尼的静态情况下，动力总成在Roll方向激励力作用下的行为用方程（9）表示。弹性轴（ERA）是当发动机扭矩和悬置隔振器反作用力被施加时动力总成旋转的中心旋转轴。

式（9）的物理意义是动力总成质心在静转矩作用下的一般位移。另外，另一种情况是，仅根据弹性矩阵的特性，弹性轴通过质心旋转而不平移。在高激励频率的情况下，由于动力总成的质量特性，惯性力对动力总成的运动影响很大。当激振频率较低时，悬置刚度对其影响较大。因此，动力总成在怠速频率范围内绕转矩轴旋转，动力总成的质心点在低频范围内如方程（9）那样移动。在起动发动机期间，动力总成处于从初始静止状态到怠速状态的瞬态运动，而质心平移和旋转的初始状态达到质心绕转矩轴旋转的稳定状态。此时，在Key on/off振动的初始阶段，由于滚动激振力引起的质心平移位移的增加，导致车辆作为响应系统的振动幅值增大。因此，为了减小车辆的Key on/off振动，必须抑制动力总成的质心位移，通常增加悬置刚度可以通过减小动力总成的位移来改善Key on/off振动，但会加剧怠速振动的特性。在不增加悬置刚度的情况下，适当的刚度平衡设计可以改善Key on/off振动。降低了动力总成质心的位移，又不降低怠速性能。

图3 传递系统

响应系统

Keyon/off振动的最终评估是测量座椅导轨加速度的大小。图4显示了动力总成和车身之间所有六个方向中的一个方向的前后作用反应关系。在Roll激励下，动力总成的质心旋转和平移受悬置刚度的影响。同时，车体作为反作用部分进行平移和旋转。

图4作用与反应关系

式（10）是动力总成激振力与惯性力、车体惯性力、接地轮胎反作用力六个方向上的平衡方程。

动力总成的激励力矩必须包含在y向力矩平衡方程中。当作用在地面上的轮胎反作用力很小时，动力总成惯性力的大小等于车辆惯性力的大小，方向相反。动力总成C.G在纵向和横向运动下的运动作用于车体的运动。动力总成的Yaw运动有增大座椅导轨横向加速度的趋势。在等式（10）中，为了减小动力总成C.G.的位移而设置的悬置刚度减小了车辆的振动。

测试和验证

激振力测试

激励信号是定量估计车辆响应的输入信号。励磁信号的测量方法是利用磁力传感器对起动电机驱动的齿圈轮齿脉冲进行开关。通过测量可以得到曲轴的转角。见图5。通过对曲轴转角进行适当的滤波和微分，可以得到曲轴的角速度和加速度。曲轴的转角测量值与缸体相对应。为了更精确地计算激振力，必须考虑缸体的转动，对测得的转角进行标定。

图5齿圈脉冲测量

图6给出了通过曲柄轴的角加速度和转动惯性矩相乘得到的激振力，这是曲柄滑块机构（包括往复和转动部件）的平均惯性。起动马达起动发动机后，动力总成通过瞬态进入稳态怠速状态。key off时，会出现一些不完全点火产生的激振力。如果节气门襟翼禁止空气进入以防止不完全点火，则与没有节气门襟翼的情况相比， key off振动降低得更快。3）

图6内部激励转矩

传递力的测量

激振力作为旋转单元作用于动力总成上，但由于惯性和悬置刚度的影响，动力总成的质心发生平移和旋转。在这种情况下，动力总成的惯性力必须与发动机悬置在各个方向上的反作用力之和相同。

换言之，动力总成质心的质量倍增和平移加速度的乘积必须等于发动机悬置反作用力之和。数字。7显示了动力总成惯性力与“key on/off”时测得的发动机悬置反作用力之和的比较。动力总成惯性力是由动力总成质心的质量和加速度相乘得到的。利用安装在动力总成各部分的人工加速度计的实测信号，计算出动力总成的质心加速度。由于发动机悬置的加速度可以通过适当的信号处理转化为发动机悬置的位移，因此发动机悬置的反作用力可以通过发动机悬置位移和刚度的乘积来计算。必须注意的是，发动机悬置的位移必须视为与车身的相对位移。利用上述方法，验证了在3个平动方向（x，y，z）和2个转动方向（约x，z）上，动力总成惯性力和发动机悬置反力之和是相同的。式（6）为roll运动（y方向）的力矩平衡方程，表明激振力与动力总成惯性力和发动机悬置反作用力之和相同。

图7惯性力与悬置反作用力

车辆响应测量

车辆响应与“key on/off”时动力总成的运动有着相互作用的关系。为了验证这种关系，在动力总成和车辆的各个部分安装了许多加速度计。由于动力总成的刚性模态小于30hz，采用适当的低频通滤波可以消除弹性模态加速度分量。此外，当测量车辆的刚体模态时，加速度是在刚性位置（如侧梁）测量的，而不是在柔顺位置（如面板）测量的。这样可以将局部振动带来的误差降到最低。见下面照片2和3。在车辆各部分完成加速度测量后，对测量的加速度数据进行适当的信号处理和计算，计算出车辆的质心加速度。

照片1 座椅导轨加速度测量

照片2 动力总成加速度测量

照片3 车体测量

式（12）表示动力传动系惯性力、车辆惯性力和轮胎反作用力的x方向分量。

如果轮胎力很小，则方程式（14）成立。

方程式（14）显示了动力总成和车辆质心加速度之间的理论关系。图8显示了动力总成和车辆的质心加速度。

图8车体及动力总成加速度

实验结果表明，在方程式（14）中，左侧加速比为0.262，动力总成与车辆质量比为0.265。由于加速度比和质量比的相似性，验证了动力总成在“key on/off”时与车辆的作用反应关系。

CAE分析

分析模型开发

为了定量预测key on/off响应的瞬态响应，建立了由动力刚体模态和带有悬挂系统的车体组成的有限元车辆模型，如图9所示。作为激励力作用于动力总成的点火力所产生的转矩。通过CAE分析得到座椅导轨处的加速度，以评价key on/off振动。在有限元模型中，采用了Roll频带下从动力总成悬置测得的刚度和阻尼值。

图9 CAE模型

如图10所示，将CAE得到的座椅导轨加速度与实验结果进行了比较。相关结果表明，在车辆开发的早期阶段，利用CAE分析可以预测key on/off振动性能。为了得到推荐的设计方案，通过设置设计变量来减小由于转矩输入引起的动力总成质心运动是非常重要的。

图10 CAE和测试对比

敏感性分析

如图11所示，动力总成质心位置的变化与动力总成悬置位置和刚度等各种设计变量之间的灵敏度关系。给出了机组转矩激励下动力总成C.G.的位移响应。在设计中选用灵敏度大、实用性强的变量，是改善key on/off振动的关键。

图11 敏感性分析

key on/off振动的主要敏感设计变量是纵向悬置刚度和Roll悬置插入角。由于roll激振的整体刚度矩阵受roll安装角的影响，因此提出了roll安装角的概念。但是，如果改变roll角以增加系统刚度，则怠速振动性能变差。为了解决这一问题，应根据方程式（9）计算因扭转输入而减小C.G.位移的安装位置布置。

CAE和测试结果

如图12所示，通过进行CAE敏感性分析，驾驶员座椅导轨处改进设计的加速度下降了35%。

图12改进分析结果

在驾驶员座椅轨道上测得的加速度测试数据如图13所示。从多个试验数据来看，平均加速度下降了30%左右，改进后的试验趋势与CAE吻合较好。

图 13 改进方案测试结果

结论

本研究的结论如下。

1）通过CAE分析和试验验证了keyon/off振动的根本原因。

2）建立了keyon/off振动性能的CAE定量预测方法。

3）在初步设计阶段，可估计keyon/off振动，并提出改进建议。

REFERENCES

1.Toshitaka Naruse, Youichi Kuno, “Optimization Technology of Power PlantMounting Stiffness for Front Wheel Drive Vehicle,” FISITA F2000G327, 2000.

2. G.Nessler and W. Stokes, R. Beikmann, J. Curtis and T. Mitchell, “Roll-DownProcess Development for Transmission Garage Shift Quality,” SAE 2001- 01-1500,2001.

3. JasonMarch, Gareth Strong and Simon Gregory, “Achieving DieselVehicle Appeal Part1 : Vehicle NVH Perspective,” SAE 2005-01-2484, 2005.

4.Charles Fayette Taylor, “The Internal-Combustion Engine in Theory andPractice,” Volume 2.(Chapter 8)

定义&命名