動力總成懸置系統運動包絡及工況載荷計算方法

韋寶侶，呂兆平

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心，廣西 柳州545007）

動力總成懸置系統的主要功能有兩個，一是減振，二是限位[1]。從懸置元件的剛度曲線來看，一般可以分為線性段和非線性段。其中，線性段可以看作懸置元件減振功能的體現。

懸置系統設計工程師在設計懸置剛度線性段時，需要用懸置元件動剛度對動力總成的模態及解耦率進行計算。當動力總成的模態及解耦率滿足要求時，懸置動剛度就確定了。而動剛度和靜剛度成一定的比例關系（一般動剛度為靜剛度的1.3～1.5倍），這樣即可確定懸置元件線性段的剛度。剛度曲線的拐點，則是動力總成的限位點，限位要求通常是主機廠提供的。如主機廠要求在三擋80%油門開度下，動力總成需要良好的解耦，即要求動力總成各懸置點的位移量均在線性段內，供應商根據這個要求，即可設計剛度曲線的拐點。在拐點之后，懸置剛度曲線可以看作是大剛度的線性段。這個大剛度的設計，則要滿足主機廠對動力總成總體位移的設計目標值。因此，整個非線性段是為了實現懸置系統的限位功能。

本文通過Adams/View軟件建立動力總成模型及考慮了懸置在其3個彈性主軸方向力——位移特性的非線性關系，設計了懸置非線性剛度曲線，對某車型的動力總成進行28種工況的模擬計算，對動力總成懸置系統運動包絡進行了校核，并獲得了28工況下各懸置點的工況載荷，為懸置支架、車身結構甚至變速器殼體強度校核，都提供了輸入條件[2]。坐標是在發動機坐標系下的坐標，轉動慣量則是在質心坐標系下的轉動慣量。因此在此先介紹一下坐標系的定義問題。

（1）發動機坐標系OeXeYeZe。以曲軸中心線與發動機后端面（RFB）的交點為坐標原點Oe；Xe軸平行于曲軸中心線，指向發動機前端；Ze軸平行與氣缸線，指向缸蓋；Ye 根據右手定則確定，應與氣缸中心線所在的中心面垂直，指向發動機左側（從變速箱端向皮帶輪端看）。

圖1 發動機坐標系

（2）質心坐標系OcXcYcZc。坐標原點位于質心原點Oc；與發動機坐標系OeXeYeZe 各軸對應平行且方向相同的坐標系為動力總成質心坐標系。

圖2 質心坐標系

1 工況計算前期準備

1.1 坐標系定義

一般我們在發動機大總成測試時，獲得的質心

（3）整車坐標系。整車坐標系一般是由客戶定義的，一般客戶在提供總成數模時，會裝配在整車坐標系下，X軸從車頭指向車尾，Z軸垂直向上，Y軸按右手法則確定。

1.2 動力總成質心及轉動慣量的轉換

根據發動機大總成在發動機坐標系下的質心坐標，和質心坐標系下的轉動慣量，及兩者在整車下的布置位置，利用Adams軟件，可以很方便地實現動力總成轉動慣量從質心坐標系到整車坐標系的轉化，從而使得ADAMS建模和MATLAB編程變得更為簡便。當然還需要在把發動機坐標系下的質心位置，轉換到整車坐標系下，這一步可以借助UG/CATIA等三維建模軟件。

1.3 懸置系統計算工況簡介

懸置系統的工況，是汽車在整個生命周期中使用和可能使用的工況。各大知名汽車公司，根據不同路面、使用狀況和地區，總結了一系列汽車駕駛工況，以此作為新車初期開發的分析數據。

對動力總成懸置系統而言，這些工況大都被等效為作用在動力總成質心的加速度和扭矩載荷，可以將該系統獨立進行前期的分析和開發，不必建立完整的整車模型及依賴龐大的整車數據，在初期的分析中簡單實用。

目前我們采用的是GMW14116中的工況標準（見表1）[3]。

1.4 懸置運動范圍限制條件

發動機懸置的主要作用，是把發動機安裝在整車上，控制發動機的位移，并吸收發動機的振動。表2是GM全球標準對控制發動機位移和轉角的通用要求。

表2 動力總成運動空間限制

動力總成的位移大小，直接影響了周圍零件的設計，如進排氣柔性節的設計，傳動軸的布置，以及與發動機連接的周圍管子的布置，如制動真空管、轉向油管、冷卻水管、空調管、排檔拉索以及各種線束等。如果汽車對扭力轉向比較敏感，那么側傾的要求最好控制在±0.5°以內。

1.5 懸置元件剛度曲線處理

非線性剛度曲線設計出來以后，需要借助其他工具進行擬合以后，才能導入到ADAMS中進行28種工況計算。曲線擬合可以采用matlab曲線擬合功能實現（見圖4）。

圖4 懸置某一方向的非線性剛度曲線

擬合得到的樣條曲線公式（見圖5），可以直接代入ADAMS中三向力函數中。

圖5 擬合后樣條曲線公式

1.6 ADAMS計算模型的建立

在ADAMS軟件中的VIEW 模塊中建立動力總成模型。把動力總成簡化成一個具有六自由度的剛體，它通過懸置支撐在車架上，懸置被視為具有三向剛度的彈性阻尼組件。輸入剛體的質量和轉動慣量，懸置的硬點位置，可做出如圖6所示的懸置系統動力學模型。

圖6 懸置系統ADAMS模型

在輸入懸置元件剛度時，如果在懸置硬點位置建立bushing，那么懸置元件只是具有線性的剛度。因此，必須在懸置硬點處建立三向力，才能真實地模擬懸置元件的非線性特性。

在ADAMS中依據整車坐標系建立動力總成的3個硬點位置，每個硬點處建立三向力。對三向的每個分量輸入樣條曲線擬合出來的公式。

2 運動包絡校核及工況載荷計算

2.1 靜平衡計算

動力總成在實車安裝后，通常是處于受載狀態，28工況計算都是以靜平衡計算為基點開始計算，所以靜平衡的求解非常重要。如果此工況求解不正確，則意味著ADAMS里的動力總成靜態時的位移和實車不符，計算得出的每個工況時懸置點的受力和位移就沒有實際意義。

通過優化獲得了較為理想的線性段剛度后，利用ADAMS動力學仿真分析軟件建模，通過簡單的仿真分析，即可獲得動力總成在重力工況下的質心位移轉角（表3）及3個懸置的承載及位移數據（表4），這些數據是進行懸置元件非線性剛度設計的基礎。

表3 重力工況下動力總成質心位移（參考整車坐標系）

表4 重力工況下各懸置承載及位移（參考整車坐標系）

2.2 28工況運動包絡計算校核

在圖6所示ADAMS模型中，在每個懸置點的三向力中輸入樣條曲線擬合出來的公式，對應于每個工況，將相應的加速度和扭矩轉換成力，施加到動力總成質心上，然后進行仿真分析。把仿真分析得到的各工況質心處的位移和轉角，記錄到表5中，就可以得到動力總成在28種工況下的運動范圍。

表5 靜平衡及28工況下的質心位移及轉角計算結果

從計算數據可知，位移和轉角完全滿足表2所示設計輸入要求。

2.3 28工況載荷計算

同樣的按照2.2節中的做法，在獲得質心位移和轉角的同時，也同時可以讀出每個懸置點的載荷如表6所示。

表6 靜平衡及28工況下的各懸置點承載計算結果（單位：N）

3 結束語

綜上所述，通過懸置系統的工況計算，可以把懸置點的受力和位移數據化。利用這些數據，不但可以校核懸置支架的強度是否符合要求（典型工況下，最大應力應該小于所用材料屈服極限85%，極限工況下，最大應力應低于材料的抗拉極限）；而且可以較準確地計算發動機在各工況下的位移，求出動力總成運動包絡，用于校核發動機倉中各種動態間隙是否滿足總布置的要求，從而為發動機倉相關零部件設計及布置提供理論依據。

[1]楊利勇.基于Adams／View的懸置系統工況計算方法[J].公路與汽運，2009（5）：1-4.

[2]上官文斌，徐 馳，黃振磊，等.汽車動力總成懸置系統位移控制設計計算方法[J].汽車工程，2006，（8）：738-742.

[3]Specification for 261 Powertrain Mounts，Body-Frame-Integral Subsystems GMW14116[S].North American Engineering Standards，December 2006.