结合电动发电机系统控制和多体动力学（MBD）模型的混合动力汽车发动机起动冲击预测技术的开发
Development of HEVEngine Start-Shock Prediction Technique Combining Motor Generator SystemControl and Multi-Body Dynamics (MBD) ModelsHiroshi Sugimura, Masaya Takeda, MasayukiTakei and Hiroo Yamaoka
Toyota Technical Development Corporation以往的研究已经对静止车辆的发动机启动冲击和振动机理进行了详细的描述。这种振动可以通过优化发动机和电机发电机的减振控制来降低。提出了一种基于全车MBD模型的预测方法，并将其应用于实际车辆开发中。本文介绍了双电机机械功率分配装置混合动力系统的一种新方法，该方法可以预测车辆在加速时发动机的起动冲击。对机理分析和组分贡献分析的结果进行了描述。该方法针对车辆启动后加速过程中驱动扭矩需求引起的发动机起动冲击。采用matlab/simulink对混合控制系统进行建模。在控制系统模型的主体部分安装了一个用于实际车辆的电源管理和发电机控制程序。逆变器和变换器的电压以及电池的容量用简单的数学模型表示。用该方法预测的电机转矩和地板加速度与试验结果密切相关。利用该仿真进行了机理分析，揭示了汽车启动后加速过程中发动机起动冲击的主要因素是驱动力矩产生的悬架纵向振动模态。对悬架衬套和传动系扭转特性的贡献分析表明，增大扭振减振器的阻尼和降低传动轴的扭转刚度可以减小发动机起动冲击。随着提高效率的努力进一步提高了混合动力系统的环境性能，将内燃机与发动机/发电机（MG）结合起来的混合动力系统正被越来越多的车型采用。然而，混合动力系统的一个问题是由于发动机频繁的起动所产生的冲击和振动引起的驾驶员不舒服。通过试验和分析，研究了汽车静止时发动机起动引起的振动机理，提出了基于整车多体动力学模型的振动预测技术。该模型已成功地用于减振[1,2,3,4,5]。相反，在加速过程中发动机起动会导致突然施加比车辆静止时更大的驱动扭矩。这会增加非线性特性的影响，例如那些与负载相关的部件，包括发动机悬置、悬架衬套和驱动扭矩传递元件。包括这些项的传送路径等的机制尚待确定。除了现有的用于预测发动机起动冲击引起的振动和车辆静止时的传动系[5，6，7]，加速过程中的发动机起动冲击预测还需要发展建模技术来表达传递元件的非线性特性，以及根据驾驶员油门踏板操作、车辆行驶状态和蓄电池充电状态（SOC）计算电机扭矩的控制模型。因此，开发了一种精确预测发动机加速起动冲击的技术。本文介绍了该技术的概况和验证试验结果，以确认其准确性。文中还描述了利用该技术分析的发动机起动冲击机理。本研究主要针对图1所示的混合动力系统。这是一个具有两个MGS的并联串联式混合动力系统，由发动机、控制发动机和MG1的输入和输出的功率分配装置、控制MG2的输入和输出的电机减速装置、包括一对齿轮和一对差动齿轮的减速装置组成，差速机构，等等。
2.2.发动机起动要求
在这种混合动力系统中，要求发动机起动的因素包括蓄电池充电需求、驾驶员踩下油门时的驱动力需求、发动机预热需求等。本研究主要针对汽车在发动机驱动下启动后加速过程中驱动力需求引起的发动机起动问题。图2显示了启动后加速过程中的转速（即发动机转速和MG转速）、缸内压力、MG扭矩和地板加速度的示例。MG2使车辆从静止状态加速。然后，MG1根据加速器角度和车速启动发动机，发动机和发动机一起加速车辆。图中显示了MG1和MG2扭矩的波动，这是由于MGS在发动机起动后执行的减振控制所致。研究还表明，发动机起动冲击与缸内压力的产生是一致的，纵向加速度大于纵向加速度。
图 2.启动后加速时MG转矩，缸内压力，和地板加速度
图3显示了使用MBD软件构建的整车模型。由于目标现象是20hz或更低的低频振动，因此，考虑质量和惯性矩的刚性元件模拟了车身、悬架等结构部件。根据振幅和频率设置发动机支座、悬架衬套和传动系扭转元件模型的特性。缸内压力采用实测值，是mbd模型的输入之一。MG扭矩是通过与混合动力系统控制模型结合的耦合计算确定的，混合动力系统控制模型集成了安装在实际车辆上的软件。 [6-7]. 下面的部分描述了对现有模型[6-7]的主要更改的细节。
发动机悬置和悬置衬套具有粘弹性，其传递特性随激振频率和振幅的变化而变化。此外，在启动后的加速过程中，发动机悬置和悬架衬套也会预加载。这是由发动机加速车辆时的MG2扭矩和每个部件的惯性力引起的。当与支座和衬套止动块接触时，该预加载产生冲击。因此，使用图4中的物理模型来表示激励频率和振幅依赖性，该物理模型结合了弹簧、缓冲器和摩擦元件[6]。此外，还提出了一个具有非线性弹簧特性的衬套-止动器模型，并与安装和衬套模型并行，以模拟由于与衬套-止动器接触而引起的刚度变化。利用独立安装激振试验的结果对各元件的参数进行了优化和识别，使储能弹簧常数和损耗因子与试验结果一致。图5和6显示了发动机安装模型特性的示例。
传动系扭振减振器用于在发动机和变速器之间传递驱动扭矩。它还包括一个转矩波动吸收装置，利用非线性弹簧特性和磁滞特性根据驱动转矩改变转矩波动传递特性。利用图7所示的物理模型对这些非线性弹簧特性和滞回特性进行建模。图8显示了传动系扭振减振器的特性。
将刚性环等效为轮胎的车轮和胎面，建立了轮胎接地状态下胎面环的刚性振动模式。这种轮胎模型能够模拟文具和运动条件，频率特性可达60hz。
3.3 混合动力系统的控制模型图9显示了控制模型的概要。
启动后加速期间的驾驶控制根据安装在发动机、MGS、电池等中的各种传感器以及每个电子控制单元的控制值，根据最佳系统效率和驾驶员需求建立驱动力。如图10所示，发动机起动冲击通过与每个MG1和MG2结合的减振控制来降低。在MG1中，为了减小发动机脉动转矩的影响，采用了前馈控制。此控制通过计算从MG1和MG2的旋转角度到驱动扭矩的曲柄角来添加消除发动机脉动扭矩的扭矩。在MG2系统中，采用MG2的扭振速度和传动系观测器要求的轮胎扭振速度进行反馈控制，以减小传动系扭振[3]。因此，建立了一个能够根据这些减振控制所产生的减振力矩和驾驶员需求计算驱动力矩的控制模型。驱动和电机控制部分包含真实的车辆软件。发动机控制部分等仅包括用于计算驾驶控制所需的控制值的部件。逆变器、转换器和电池也采用了简单的物理模型。由于这些模型不能提供驱动和马达控制部分的所有输入信息，因此根据驱动条件添加信号。控制模型的输入包括来自驾驶员的加速器和制动器操作信号，以及由整车mbd模型计算的曲柄角、mg旋转角、车速等。
利用上述mbd模型和控制模型，对front-sugimura等人/sae int.j.passeng的发动机起动冲击预测精度和机理分析能力进行了验证。汽车-机械。系统。/第6卷，第2期（2013年7月）配备直列4缸发动机和混合动力系统的车轮驱动（FWD）车辆。本文主要对加速度幅值大、特别容易传递给车辆乘员的地板纵向加速度进行了对比分析。首先，在关闭mg减振控制的情况下，验证了预测精度。图11、12、13、14分别显示了MG扭矩、发动机安装支架端部加速度、悬架加速度和地板加速度的结果。
MG转矩仿真结果与发动机起动和驱动状态下的实测值密切相关。此外，在时间和峰值水平方面，模拟结果与各部件产生的冲击测量值之间存在良好的相关性。这种精度水平足以用于实际应用。其次，在开启mg减振功能的情况下，验证了预测精度。图15显示了MG扭矩的结果，图16、17、18显示了每个组件的结果。MG转矩结果与驱动转矩和减振转矩的测量值密切相关。模拟结果与各部件冲击测量值也有较好的相关性。因此，无论是否采用减振控制，其精度水平都足以满足实际应用的需要。同时也证实了减振控制的程度是可以预测的。
图19显示了前发动机悬置的位移。当产生冲击时，悬置位移到限位块接触区域。这证实了悬置和衬套模型的设计必须考虑到限位块的特性。
1 输入贡献分析为了确定车辆中的冲击产生机制，关闭了MG减振控制，并如前所述分析了车身输入对地板加速度的贡献[6]。
假设车身是一个刚性物体，可以描述车身上评估点的纵向地板加速度和车身重心加速度之间的以下关系。
为车身重心偏航加速度，h、w为地板与车身重心距离。此外，利用车体输入、车体质量和惯性矩，可以如下计算车体重心加速度。
其中M是车体质量，IXX和Iyy是车体惯性力矩，Fxi、FYI和Fzi是附着点上的载荷，而Xi、Yi和Zi是附着点与车体重心之间的距离。
使用方程式（3）计算每个部件的输入对纵向地板加速度的贡献（图20）。结果发现，副车架的纵向输入占主导地位。扭力杆和排气管的输入也与副车架的输入相反。图21显示了副车架输入的分析结果。副车架的主要输入被确认来自前悬架（图22）。因此，悬架是发动机启动后加速起动冲击的主要传递途径。这与车辆为固定式时发动机起动冲击的传输路径形成对比，后者被发现是发动机悬置[6]。对地板垂向加速度进行了同样的分析。与纵向地板加速度不同的是，发现主传输路径是发动机悬置。采用mg减振控制的发动机起动冲击较小。然而，在两种控制状态下，纵向和纵向振动的输入传递路径相同。
图23显示了悬架振动的时域谱分析结果。当产生最大地板加速度幅值时，悬挂振动的水平以大约18 Hz为中心。图24显示了在计算模型中产生冲击时，相同行驶条件下纵向悬挂激励的计算结果。这些结果证实，纵向悬架共振发生在大约18赫兹。因此，确定了引起冲击的传递特性是由动力传动系传递扭矩激励的悬架纵向固有模态。
在此基础上，通过改善车辆的传递特性，对降低发动机起动冲击进行了研究。本文主要研究了悬架衬套和传动系扭振元件的特性。该研究是在MG减振控制关闭的情况下进行的。表1显示了研究方案。在方案1中，下悬架臂衬套的弹簧常数增加，以改变纵向悬架传递特性。在方案2中，传动系扭振减振器阻尼增加，以减少作为悬架输入的传动系传递扭矩波动。最后，在方案3中，传动轴扭转刚度降低。
图25显示了结果。与原设置相比，情况2和3降低纵向地板加速度的最大振幅约15%。加速期间的发动机起动冲击是根据控制方法、控制值等的变化所产生的激振力的变化而产生的。因此，开发了一种模拟技术，该技术能够利用包含各种非线性元件的整车mbd模型与混合动力系统控制模型之间的耦合计算来预测发动机起动冲击。通过对发动机起动冲击机理的分析发现，前悬架对车身的输入是研究车辆地板纵向加速度的主导因素。原因被认为是由传动系的传递扭矩激励的悬架纵向固有模态。随后的一项旨在减少冲击的研究证实，增加传动系扭振减振器阻尼或降低传动轴扭振刚度可以减少冲击。1. Kanai, H., Hirose, T., Ueda, K.,Yamaguchi, K., “Reduction of the Engine Starting Vibration for the ParallelHybrid System,” Proceedings of the Society of Automotive Engineers of Japan983:177-180, 1998.2. Yoshioka, T., Sugita, Y., “Noise andVibration Reduction Technology in Hybrid Vehicle Development,” Journal ofSociety of Automotive Engineers of Japan 54(3):23-27, 2000.3. Ito, Y., Tomura, S., Moriya, K.,“Vibration-reducing Motor Control for Hybrid Vehicles,” R&D Review ofToyota CRDL 40(2):37-43, 2005.4. Komada, M., Yoshioka, T., “Noise andVibration Reduction Challenges for New Generation Hybrid Vehicles,” Journal ofSociety of Automotive Engineers of Japan 60(4):18-23, 2004.5. Takei, M., Yamaoka, H., Takeda, M.,“Development of Engine Start Vibration Prediction Technique of Hybrid Vehicle,”Proceedings of the Society of Automotive Engineers of Japan 99(09):1-6, 2009.6. Takei, M., Kobayashi, Y., Yamaoka, H.,Takeda, M., “Simulation of Engine Start Vibration using In-cylinder PressurePrediction Method,” Proceedings of the Society of Automotive Engineers of Japan40(07): 1-4, 2007.7. Sugimura, H., Donoue, Y., Takei, M., andYamaoka, H., “Prediction of Low Frequency Vibration Caused by Power Train UsingMulti-Body Dynamics,” SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 2(1):1470-1476,2009, doi:10.4271/2009-01-2193.Sugimura et al / SAE Int. J. Passeng. Cars- Mech. Syst. / Volume 6, Issue 2(July 2013)以上是本次的全部内容，后续更新时间待定，敬请期待。
