胡 勇，郭長(zhǎng)帥，范 杰

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，廣東珠海 519090）

0 引言

著眼于發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)NVH 的影響，研究其相互關(guān)系，進(jìn)而將汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)與整車(chē)連接進(jìn)行優(yōu)化，研究動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的靜、動(dòng)力學(xué)特性及研究汽車(chē)動(dòng)力總成振動(dòng)控制、位移控制和隔振控制的要求時(shí)，就需要對(duì)車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性參數(shù)進(jìn)行研究分析。車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性參數(shù)由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置、慣性積和質(zhì)量等參數(shù)組成，這些參數(shù)與質(zhì)量分布有關(guān)，在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中較為常用。為優(yōu)化求解動(dòng)力總成與車(chē)架的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)研究其性能，有必要將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置、慣性積和質(zhì)量等當(dāng)作輸入匹配設(shè)計(jì)車(chē)輛動(dòng)力總成的基本參數(shù)之一。因此設(shè)計(jì)一種專(zhuān)門(mén)的、可靠的和穩(wěn)定性較高的汽車(chē)動(dòng)力總成慣性參數(shù)的測(cè)試臺(tái)以精確獲取動(dòng)力總成的慣性參數(shù)就非常有必要[1-2]。目前已開(kāi)發(fā)出多種汽車(chē)動(dòng)力總成慣性參數(shù)的測(cè)試臺(tái)，但針對(duì)汽車(chē)動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)試臺(tái)以最大載荷加載時(shí)其支架和擺盤(pán)的變形量進(jìn)行有限元仿真分析較少，關(guān)于測(cè)試臺(tái)在較大載荷下其變形量與慣性參數(shù)誤差之間的影響研究分析也較少，因此對(duì)汽車(chē)動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)試臺(tái)在較大載荷下和中等載荷下的對(duì)比測(cè)試分析有現(xiàn)實(shí)意義[3-5]。

1 測(cè)試臺(tái)支撐支架有限元仿真

自主設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)由支撐支架、計(jì)算機(jī)模塊等組成，測(cè)試臺(tái)支架大多數(shù)是Q235等材料等制成，通過(guò)限元方法來(lái)分析支架結(jié)構(gòu)的模態(tài)、振型是合適的。支撐支架實(shí)物圖和有限元模型如圖1所示。

圖1 支撐支架實(shí)物圖和有限元模型

把支撐支架的三維圖導(dǎo)入到Hypermesh 中，進(jìn)行測(cè)支撐支架滿(mǎn)載時(shí)模態(tài)分析。下擺盤(pán)安裝到支架上時(shí)，考慮到鋼繩是純?nèi)嵝缘?，滿(mǎn)載時(shí)（最大質(zhì)量1 200 kg）加下擺盤(pán)的模態(tài)分析只能把下擺盤(pán)的質(zhì)量及待測(cè)物的質(zhì)量加在吊點(diǎn)，將下擺盤(pán)及待測(cè)物的重量作為加載力，加載上擺盤(pán)的加載點(diǎn)。由于支架是固定的，測(cè)量過(guò)程的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為平緩不激烈，因此支架分析可簡(jiǎn)化為靜態(tài)分析。假設(shè)地面情況良好，受外界的干擾較小，地面強(qiáng)度硬度足夠，能承受測(cè)試臺(tái)的重力且不變形、不沉陷。測(cè)試臺(tái)放置附近無(wú)大的振動(dòng)源產(chǎn)生干擾振動(dòng)。假設(shè)載荷加載在上擺盤(pán)上是均勻加載，考慮到鋼繩是純?nèi)嵝缘模瑫r(shí)對(duì)有限元分析影響不大的一些螺栓孔進(jìn)行簡(jiǎn)化[6]。

1.1 測(cè)試臺(tái)滿(mǎn)載工況支架模態(tài)分析

對(duì)滿(mǎn)載時(shí)支架進(jìn)行前10 階自由振型分析，將Hypermesh 中的支撐支架有限元模型置于A(yíng)baqus 中進(jìn)行計(jì)算，表1所示為前10階模態(tài)分析的結(jié)果[7]。圖2所示為滿(mǎn)載時(shí)支撐支架前4階振型情況。

表1 測(cè)試臺(tái)滿(mǎn)載工況支架固有頻率

1.2 測(cè)試臺(tái)滿(mǎn)載工況靜力學(xué)分析

從支架的應(yīng)力云圖中可以看出，其最大應(yīng)力115.8 MPa，位置剛好為上擺盤(pán)安裝孔，下擺盤(pán)的最大應(yīng)力156.9 MPa，位置為擺盤(pán)邊緣吊孔，如圖3所示。

圖3 支架和下擺盤(pán)的應(yīng)力云圖

支架最大變形量1.654 mm，位于上擺盤(pán)鋼繩安裝處。整個(gè)裝配體大部分存在著變形，變形集中在鋼繩吊孔附近，非吊孔位置附近因加強(qiáng)圓柱的存在，其變形較小。下擺盤(pán)的最大變形量為3.13 mm，位于鋼繩吊孔。如圖4所示。

圖4 支架和下擺盤(pán)變形有限元分析結(jié)果

從分析結(jié)果云圖上，只有在上擺盤(pán)和下擺盤(pán)的吊孔位置附近存在著小部分的應(yīng)力較大的區(qū)域，可以進(jìn)行局部加強(qiáng)處理；最大應(yīng)力156.9 MPa，但也小于其材料屈服強(qiáng)度235 MPa。許多區(qū)域的應(yīng)力都沒(méi)有達(dá)到許用應(yīng)力。3根頂端橫梁和3根上橫梁的應(yīng)力和形變都較小，3根鋼管立柱應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。無(wú)外部激勵(lì)或其他振源影響時(shí)，不易被激發(fā)共振。

2 測(cè)試臺(tái)的標(biāo)定與試驗(yàn)

測(cè)試臺(tái)用3 根鋼絲繩作為擺線(xiàn)，為保證能起吊汽動(dòng)力總成，鋼絲較粗、較長(zhǎng)，上下擺盤(pán)之間的連接點(diǎn)較遠(yuǎn)，對(duì)上下連接點(diǎn)之間的距離測(cè)試會(huì)有一定的誤差。為解決測(cè)試臺(tái)的精確度問(wèn)題，必須將其空擺質(zhì)量M0通過(guò)一定的方法確定，同時(shí)其擺長(zhǎng)L也要進(jìn)行確定。標(biāo)定后的這2個(gè)參數(shù)準(zhǔn)確與否，對(duì)慣性參數(shù)的測(cè)試結(jié)果精確度有直接影響。

2.1 測(cè)試臺(tái)參數(shù)標(biāo)定

設(shè)空擺時(shí)扭擺裝置和100 kg、200 kg、300 kg的圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊的質(zhì)量分別為M0、M1、M2、M3，扭擺裝置空擺時(shí)和加載100 kg、200 kg 和300 kg 的圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊時(shí)其扭擺周期分別為T(mén)0、T1、T2、T3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為J0、J1、J2、J3。通過(guò)以下兩種方法進(jìn)行標(biāo)定：（1）通過(guò)對(duì)空擺和加載有100 kg、200 kg 的圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊時(shí)測(cè)量出來(lái)的T0、T1、T2來(lái)計(jì)算出標(biāo)定值J0、M0和L，再將標(biāo)定的J0、M0和L值代入加載300 kg的圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊時(shí)按公式進(jìn)行計(jì)算求出J3，驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的有效性；（2）加載100 kg、200 kg和300 kg的圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊，求出J0、M0和L的解，用求出的J0驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的有效性[8]。標(biāo)定結(jié)果如表2 所示。300 kg 圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊（也稱(chēng)校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)塊）并未單獨(dú)設(shè)計(jì)，是將100 kg和200 kg的圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊疊加一起。

表2 參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

300 kg 圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊所測(cè)量的結(jié)果作為一種參考，用以驗(yàn)證標(biāo)定參數(shù)是否有效。300 kg 圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與UG 數(shù)模值對(duì)比分析情況如表3所示。對(duì)比情況表明，將標(biāo)定后的M0、L值代入計(jì)算小程序后轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸出的結(jié)果與理論值相當(dāng)接近，誤差小，未到1%，說(shuō)明標(biāo)定準(zhǔn)確。

表3 300 kg圓柱標(biāo)準(zhǔn)塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)比分析

2.2 組合長(zhǎng)方體測(cè)試件測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)了一個(gè)組合長(zhǎng)方體測(cè)試件，在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行慣性參數(shù)的測(cè)量。并與組合長(zhǎng)方體測(cè)試件在UG 中的值進(jìn)行對(duì)比。組合長(zhǎng)方體測(cè)試件的測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

圖5 組合長(zhǎng)方體測(cè)試件慣性參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

UG中可得到組合長(zhǎng)方體測(cè)試件慣性參數(shù)理論值，質(zhì)量為198.7 kg，質(zhì)心和慣性參數(shù)值如表4所示。

表4 組合長(zhǎng)方體測(cè)試件的質(zhì)心和慣性參數(shù)值

組合長(zhǎng)方體測(cè)試件以不同的姿態(tài)放置對(duì)其進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，總計(jì)11 次，將質(zhì)心位置的測(cè)試數(shù)據(jù)與UG 中得到的理論值進(jìn)行對(duì)比，剔除3組質(zhì)心誤差系數(shù)大于5時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，情況如表5 所示，實(shí)測(cè)值與理論值接近，絕對(duì)誤差都在合理范圍，且兩種質(zhì)心之間的距離為1.83 mm，小于3 mm。

表5 質(zhì)心位置測(cè)試數(shù)據(jù)與UG中得到的理論值比較（動(dòng)力總成坐標(biāo)系）

將對(duì)組合長(zhǎng)方體測(cè)試件測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與慣性積與其理論值進(jìn)行對(duì)比，分析其絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差，對(duì)比情況如表6所示，兩種結(jié)果數(shù)值相近，進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試臺(tái)的測(cè)量準(zhǔn)確度。其中最大相對(duì)誤差為Jz，其值為2.77%。Jxy、Jyz、Jzx數(shù)值較小，分析研究其相對(duì)誤差意義不大。

表6 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積實(shí)測(cè)值與UG理論值比較

從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與UG 數(shù)模結(jié)果的比較可以看出，質(zhì)心位置坐標(biāo)誤差較小，為1.83 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的最大相對(duì)誤差為2.77%。汽車(chē)動(dòng)力總成一般在500～1 200 kg，測(cè)試臺(tái)主要針對(duì)此類(lèi)質(zhì)量動(dòng)力總成，而組合長(zhǎng)方體測(cè)試件的質(zhì)量只有198.7 kg，精度相對(duì)偏低。試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于質(zhì)量小于500 kg 的組合長(zhǎng)方體測(cè)試件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試結(jié)果誤差稍微偏大，針對(duì)汽車(chē)動(dòng)力總成其測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求。

3 測(cè)試臺(tái)應(yīng)用試驗(yàn)分析

將組合長(zhǎng)方體測(cè)試件在測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)量分析，雖然誤差不大，由于組合長(zhǎng)方體測(cè)試件質(zhì)量不到200 kg，形狀規(guī)則，容易擺放，測(cè)量較易，誤差較小。但發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器等總成重達(dá)1 000 kg 左右，擺放較為困難，測(cè)量不易，需要一些輔助手段測(cè)量容易造成測(cè)量誤差。由于組合長(zhǎng)方體測(cè)試件與實(shí)際測(cè)量物質(zhì)量差距較大，因此用某款接近測(cè)試臺(tái)最大設(shè)計(jì)量程的發(fā)動(dòng)機(jī)、一般質(zhì)量的某動(dòng)力總成分別進(jìn)行測(cè)試分析[9]。

選擇某發(fā)動(dòng)機(jī)、某動(dòng)力總成分別進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試臺(tái)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為1 168.5 kg（不含水套中水和油底殼機(jī)油質(zhì)量）、動(dòng)力總成質(zhì)量為367.1 kg（不計(jì)水套中水、油底殼機(jī)油質(zhì)量、變速器油質(zhì)量），如圖6所示。

圖6 待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力總成及其實(shí)驗(yàn)姿態(tài)

發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力總成分別現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)了8組、11組姿態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成分別剔除誤差較大第5組和第4、8、11組的測(cè)量數(shù)據(jù)，將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到已編輯好的計(jì)算軟件中，得到質(zhì)心位置測(cè)試結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)心誤差值為5.89，誤差稍大，工程上也可以接受，由于測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為測(cè)試臺(tái)最大測(cè)試范圍左右，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)心誤差值為5.89，誤差稍大，工程上也可以接受，某動(dòng)力總成的質(zhì)量較小，測(cè)試出的質(zhì)心誤差系數(shù)為2.30，質(zhì)心位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積測(cè)試數(shù)據(jù)如表7、表8所示。

表7 質(zhì)心位置坐標(biāo)測(cè)試結(jié)果（動(dòng)力總成坐標(biāo)系）

表8 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)轉(zhuǎn)軸定理，得到擬合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比情況如表9 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值與擬合值的2 種誤差均值較小，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大相對(duì)誤差是第2 組的0.6%，動(dòng)力總成的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大相對(duì)誤差是第7 組的0.3%，測(cè)試臺(tái)滿(mǎn)足使用要求，測(cè)量精度合適。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表9 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)標(biāo)定、用質(zhì)量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)和中等質(zhì)量的動(dòng)力總成分別進(jìn)行測(cè)試分析。根據(jù)標(biāo)定及測(cè)試分析和實(shí)測(cè)分析來(lái)看。

（1）由于測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量接近測(cè)試臺(tái)最大測(cè)試范圍左右，導(dǎo)致測(cè)試支架與下擺盤(pán)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在變形，下擺盤(pán)邊緣變形有點(diǎn)大，造成發(fā)動(dòng)機(jī)上點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量誤差較大。發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)心誤差值為5.89，誤差稍大，與有限元分析結(jié)果相吻合，工程上也可以接受，在測(cè)量質(zhì)量較小的動(dòng)力總成，測(cè)試出的質(zhì)心誤差系數(shù)為2.30，測(cè)量精度較高。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和擬合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的最大相對(duì)誤差為0.6，動(dòng)力總成的最大相對(duì)誤差為0.3%。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明測(cè)試臺(tái)滿(mǎn)足工程應(yīng)用，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了支撐發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力總成，使用了很多木塊，這些木塊對(duì)質(zhì)心位置坐標(biāo)的測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定的影響。

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的距離測(cè)量存在一定誤差。

（5）為進(jìn)一步提高測(cè)試臺(tái)精度，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)，減少測(cè)試臺(tái)在測(cè)試過(guò)程中的變形，減少測(cè)量較重總成時(shí)的誤差；進(jìn)一步研究測(cè)試臺(tái)的的支架的固有頻率與試驗(yàn)誤差之間的聯(lián)系和測(cè)試臺(tái)的的擺盤(pán)變形與實(shí)驗(yàn)誤差之間的聯(lián)系。