提高车辆Key on/off振动质量的试验与仿真

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2007-01-2363

Experiment and Simulation to Improve KeyON/OFF Vehicle Vibration Quality

Jung-Hwan Bang, Hee-Wook Yoon and Kwang-MinWon

摘要

汽车Key on/off振动源于动力总成的许多特性。它是源系统和传输系统的结合。因此，振动可以通过减少源或重新设计传递系统来改善。在本研究中，找出了影响Key on/off振动的关键因素。从源代码和传递的角度给出了一个改进的实例。通过仿真和实验，改变了发动机悬置刚度。仿真方法已用于发动机悬置系统关键设计因素的识别。通过确定发动机悬置的旋转角度，这是动力总成模态和运动的关键因素，我们降低了Key on/off振动水平。利用发动机悬置样本建立了仿真模型的置信度。试验结果表明，在Key on/off状态下，车辆振动有明显改善。

前言

随着汽车对NVH（噪声、振动和平顺性）质量要求的不断提高，key on/off振动成为汽车开发中的首要问题之一。key on/off振动是在很短的时间内发生的冲击性冲击，但会给乘客带来尴尬的感觉。控制振动水平的主要因素是发动机管理系统（EMS）和动力总成悬置系统。EMS确定气缸的燃烧压力，动力总成悬置系统控制动力总成的基本动力学。本研究旨在设计动力总成悬置系统，以降低key on/off振动水平。介绍和说明了key on/off振动机理，并对悬置特性进行了一系列仿真和试验研究。并通过实例验证了该方法的有效性。

振动机理

燃烧压力引起的转矩是振动的主要来源。曲柄传动系统和动力总成如图1和图2所示。

图1 曲轴和力平衡

图2 动力总成悬置示意图

众所周知，曲轴扭矩来自两个来源，燃烧压力和由曲轴系惯性力引起的惯性扭矩[1,2,3]。所以扭矩可以用方程1来表示。

这里

由于曲轴转速相对较低，惯性力矩对键的振动影响不大。所以燃烧压力是主要的激振力。

钥匙接通状态下的动力学可以分为几个阶段。首先，起动马达以200~300转/分的转速转动曲轴，不燃烧。本阶段动力总成振动水平较低。然后在满足燃烧条件的某一气缸处进行第一次燃烧。之后，经过两次燃烧后，曲轴转速在怠速转速以上增加。在此阶段，由于扭矩的变化，动力总成和车辆的振动水平都会突然波动。车辆的最大振动水平也发生在这个阶段。最后曲轴转速达到怠速转速。测量数据如图3所示。

图3 从点火起动到启动的振动

因此，主要的事件应该集中在第一对燃烧和动力传动系统的动态运动，如图4所示。

图4 点火振动机理

从这一点出发，通过优化燃烧过程和动力总成运动，可以降低振动的关键。发动机管理系统（EMS）可以控制燃烧过程，动力总成悬置系统可以控制动力总成的运动。本文后面将说明，与燃烧过程相比，动力总成悬置系统对点火振动的影响更为显著。因此本文重点研究了动力总成悬置系统的减振设计。

动力总成刚体模态

为了设计动力总成悬置系统，必须充分了解动力总成的刚体运动。动力总成振动频率约为5～20Hz，可以认为动力总成是一个刚体。因此，动力系统及其悬置系统可以建模为一个具有3个方向线性弹簧的刚体，如图5所示。

图5 动力总成及悬置系统

动力总成振动的运动方程可以在许多文献中找到[6]，并且可以简单地表示为:

质量矩阵如下:

利用各支座的局部刚度矩阵，通过局部坐标系到全局坐标系的坐标变换，得到各支座的刚度矩阵。

模态频率和振型在动力学中起着重要的作用，用质量矩阵和刚度矩阵求解特征值问题，即可计算出模态频率和振型，

动力总成的模态特性可以按照文献[7]的方法得到，该方法的核心思想是将动力总成表面的频响函数（FRFs）转化为动力总成质心上的频响函数（FRFs）。图6中的示意图显示了这个想法。

图6 FRFs变换原理图

方程式11和12分别解释了动力总成表面和质心心所表示的力和响应之间的关系。

HC是重心处的FRF矩阵XC是由三个平移和三个旋转组成的响应矢量，fc是由重心处的三个力和三个力矩组成的力矢量。

测试示例如图7所示。

图7 整车状态下的动力总成模态

试验结果表明，Roll模态和fore-aft模态是耦合的。

验证

在此基础上，建立了动力总成悬置系统的仿真模型。车辆和动力系统被建模为六个刚体。悬置、悬架和轮胎被建模为线性刚度。模型如图8所示。

图8 仿真车辆模型

将实测燃烧压力的转矩与计算得到的曲轴转动惯量转矩相结合，得到激振转矩。使用乘用车进行了计算机模拟和试验测试，结果比较如图9所示。

图9 汽车F/A振动仿真与试验研究

动力总成悬置设计

建立了悬置系统的优化设计问题，以减小悬置系统的关键振动。

目标函数是乘客座椅振动的最大峰值水平，设计变量是每个动力系悬置的位置（P）、刚度（K）和旋转角（θ）。

仿真结果

为了应用该方法，建立了车辆模型并进行了数值求解。模态特性和振动响应的关键如图10所示。座椅轨道处的振动水平相对较高，为“A”m/s2，这会引起不愉快的感觉。roll模态与fore-aft模态耦合。

图10 P/T模态和车身振动（后扭转悬置20度）-原始方案

解决了所提出的最优问题，结果如图11所示。

图11 P/T模式和车身振动（后扭转悬置安装0度）

振动级降低了80%，这是可以接受的。发动机以Roll方向旋转动力总成，因此动力总成的Roll模态会影响点火振动。基本车辆的Roll模态与其它模态特别是前后模态有着大量的耦合。这意味着动力总成在侧倾方向和前后方向运动，动力总成的前后运动导致车辆的前后运动。所以乘客在点火的情况下感到前后运动过度。优化后的车辆Roll模态很少与其它模态耦合，振动水平较基准车辆有较大提高。

在某些情况下，工程师试图增加悬置系统的扭转刚度，但这并不总是有助于解决问题。在某些情况下，增加系统刚度以抵抗Roll运动是可以接受的。但在这里没有效果。模态特性和车身响应是通过增加悬置刚度（Ks）20%获得的，图12显示了结果。

图12 P/T模式和车身振动（后扭转悬置Ks 20%以上）

由此可见，Roll耦合是控制振动的关键。以上结果汇总在表1中。

表1 模态耦合与车身前后振动

测试结果

为验证先前的结果，准备了原型安装样品并将其应用于基础车辆，其总结见表2和图13。

表2车身振动试验结果

图13 车辆振动-原方案与优化

如图所示，振动级键降低了40%。还检查了怠速振动，振动也降低了2 dB，如图14所示。

图14 怠速振动-原方案与优化

方案研究1

为了说明动力总成悬置系统的重要性，对两辆车的点火振动进行了测试。这些车辆有相同的发动机和相似的底盘系统，但发动机悬置不同。角加速度和车辆振动的测量如图15~18所示，并汇总在表3中。在关键阶段，即使曲轴角加速度相似，车辆的振动也有很大的不同。由此可见，发动机悬置系统是控制点火振动的主要因素。

表3角加速度与车体振动

图15 飞轮角加速度（点火）

图16 车辆前后振动（点火）

图17 飞轮角加速度（熄火）

图18 车辆前后振动（熄火）

通过改变发动机管理系统（EMS）的一些参数，了解发动机扭矩与点火振动的关系。起动扭矩、点火正时和怠速转速已经改变，结果汇总在表4中。结果表明，在这种情况下，通过控制电磁搅拌参数来减小振动是不容易的。

表4 EMS图更改与点火振动

研究案例2

为了了解发动机悬置系统与键控振动之间的关系，进行了质量冲击试验。EMS不参与此测试。这个想法如图19所示。质量通过细绳连接到动力总成上。质量下降后，细绳被割断以产生对动力系统的冲击扭矩。通过考虑车体振动水平的关键来确定质量重量。

图19 质量冲击试验

振动水平如图20所示。H型车的纵向振动衰减时间与动力总成系统的roll和fore-aft模态耦合时间有关。

20 P/T质量冲击振动（车辆比较）

抗扭悬置的旋转角度被调整以分离动力总成的roll和fore-aft模态。然后进行相同的质量冲击试验。结果如图21所示。动力总成和车身振动迅速减弱。同时也证实了点火振动也有较大幅度的降低。

21。质量冲击振动对P/T的影响（抗扭悬置旋转）

结论

在此基础上，研究了点火振动质量的改善方法。在传递方面，提出了改善整车点火振动品质的仿真和实验方法。

1）通过动力总成模态优化，可以降低车辆点火振动，改善怠速振动。

2）在FF车辆中，roll模态与其它模态的解耦对减小点火振动具有重要意义。

参考文献

1. Uwe Kiencke, Lars Nielsen, ”AutomotiveControl Systems”

2. Jeffrey K. Ball, Martin J. Bowe, C.Richard Stone, Peter D. McFadden, “Torque estimation and misfire detectionusing block angular acceleration”,G 2000-01-0560, SAE

3. Martin Schmidt, Frank Kimmich, HaraldStraky, Rolf Isermann, ”Combustion supervision by

evaluating the crankshaft speed andacceleration”,G 2000-01-0558, SAE

4. J. Shane Sui, “Powertrain MountingDesign Principles to Achieve Optimum Vibration Isolation

with Demonstration Tools”, 2003-01-1476,SAE

5. Toshitaka Naruse, OptimizationTechnology of Power Plant Mounting Stiffness for Front Wheel Drive Vehicle,Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress. F2000G327

6. Deanna M. W. Hoffman, David R. Dowling, “Modelingfully coupled rigid engine dynamics and vibrations”,..1999-01-1749, SAE

7.Won, K. M. An Improved Modal TestingTechnique for the Rigid Body Modes of a Powertrain System, JSAE, 330, 2002G

术语定义

点火振动机理