汽車動力總成懸置設計優化軟件開發

董加加，雷 剛，賴 立，陳華良

(重慶理工大學 a.車輛工程學院;b.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

現代汽車動力總成并不是剛性地安裝在車架上的。在動力總成與車架之間設有懸置系統，動力總成安裝在懸置系統之上，由懸置系統支撐動力總成的質量。懸置系統的主要作用是隔振，即盡可能隔離掉動力總成傳入車架的振動，同時把車架傳入發動機的振動隔離掉［1－3］。此外，懸置系統的橡膠材料有足夠的剛度，以免造成動力總成在工作時因擺動幅度過大與相鄰部件發生碰撞干涉［4］。動力總成懸置系統的設計、優化理論基本成熟，但是還缺少專門針對汽車懸置系統的設計、優化、分析軟件。工程人員通常運用多體動力學軟件結合有限元軟件來開發、測試懸置系統。這對工程人員的軟件操作水平要求比較高，而且由于操作步驟繁瑣，容易出錯。

本研究將理論與工程實際應用相結合，編寫了一套動力總成懸置設計優化軟件。針對懸置系統開發，使用該專用軟件不僅可以大幅提高開發的效率，而且還具有良好的經濟效益。

在懸置系統分析計算的過程中，有些工具如模態計算及解耦率計算等已有大量相關論文進行了介紹［5－6］，故在此不再贅述。

1 軟件主界面編寫

1.1 主界面的輸入參數類型

為了方便軟件的使用，要求從主界面中輸入的數據都能傳入子界面中，這樣在子界面中無需重復輸入一些通用的數據。這些數據包括發動機的質量及慣性矩、懸置系統的坐標及剛度和歐拉角等。

1.2 主界面編寫

主界面必須要做到:有必要的文字說明;界面美觀，所有輸入類型歸類，一目了然。主界面如圖1所示。在主界面的右側是按鈕組，單擊每個按鈕可以分別進入每一個子界面。

圖1 懸置系統設計優化軟件主界面

2 坐標系統子界面編寫

2.1 懸置系統的坐標定義

在整車坐標系中:原點O位于汽車正前方中間;X軸從車前到車后;Z軸從汽車底部到頂部;Y軸由右手定則確定。在參考坐標系中:縱置發動機原點O位于發動機飛輪靠近變速器一側的中心;曲軸方向為X軸;從油底殼到汽缸蓋為Z方向;Y方向由右手定則確定。在發動機質心坐標系中:原點O位于發動機質心;坐標軸與發動機坐標系平行［7－8］。

2.2 坐標變換及界面編寫

根據汽車工程研究院出具的試驗報告，在參考坐標系中確定懸置彈性中心位置和質心坐標，在質心坐標系中確定轉動慣量和慣性積。由于模態和解耦率計算往往都是在質心坐標系中進行的，故非常有必要單獨開發一個坐標轉換界面。在數據計算過程中，需要將固定坐標系下的點坐標或者方向矢量轉換到連體坐標系或者參考坐標系下。設點P或者一個方向矢量在固定坐標系O－X－Y－Z 坐標系下的值為(PX0，PY0，PZ0)，P在o－u－v－w 坐標系下的值為(PX1，PY1，PZ1)，兩者有如下關系［9］:

式(1)中:(o1X，o1Y，o1Z)為 o－u－v－w 坐標系原點在坐標系O－X－Y－Z中的坐標值;ou，ov，ow軸與 OX，OY，OZ 軸的夾角分別為 T1，U1，V1，T2，U2，V2，T3，U3，V3。坐標轉換工具界面如圖 2所示。

圖2 坐標轉換工具界面

3 扭矩軸理論及子界面編寫

3.1 扭矩軸的理論介紹

扭矩軸是一根無約束的三維剛體旋轉軸。由歐拉定理可知，當自由剛體受到某一特定方向的力矩激勵時，會繞著某一根軸轉動，這個軸為扭矩軸。在動力總成懸置系統中，當施加繞曲軸轉動的扭矩時，系統不沿著任何一根主慣性軸轉動，而是繞著扭矩軸轉動［10］。

假設系統是存在約束的，并且剛體振動的轉動位移很小，此時就可以忽略歐拉運動方程中所有的二階項，從而得到了唯一的TRA方向。在很多的實際場合，TRA不與任何主慣性軸或曲軸的中心線相重合，而常常發生最大到25°的偏離。對于一個實際的動力傳動系統來說，如果考慮慣性體是3D非對稱形狀，并且懸置可以任意安置，則系統的完全解耦是不可能做到的［11］。扭矩軸在動力總成坐標系中的位置可以通過計算得到。定義如下關系:

其中a是針對矩陣第1列的規則化常數。

扭矩軸與動力總成坐標系的夾角α，β，γ有如下關系:

3.2 扭矩軸的計算界面編寫

根據上述理論，編寫如圖3所示的扭矩軸計算界面。此界面中的發動機坐標、轉動慣量等參數由主界面傳入。以某面包車型為例，其詳細數據見表1。依次單擊下方的按鈕可獲得扭矩軸位置和扭矩軸視圖等。從界面可以看出，在懸置系統坐標系中，該扭矩軸與X軸夾角為9.6°，與Y軸夾角為99.2°，與Z 軸夾角為87.5°，并且采用彩色符號標出了懸置彈性中心的位置。這樣就可以在懸置系統三維CAD模型中畫出該扭矩軸。在實際工程試驗中，基于扭矩軸在懸置系統空間的位置來對懸置塊的位置進行調整，可使系統模態解耦率達到預期要求。

圖3 扭矩軸計算界面

表1 某面包車發動機轉動慣量 (kg·m2)

4 懸置系統位移和載荷工況(28工況)計算方法及界面編寫

4.1 位移和載荷工況相關理論

一個良好的懸置系統必須同時具有良好的限位作用和良好的隔振作用。具有良好的限位作用指的是懸置系統的剛度特性在整體上是非線性的，在懸置系統的小變形階段需具有較小的剛度，而在大變形階段則需要具有較大的剛度以抑制發動機的過大位移［12－15］。圖4為某面包車型的一個橡膠懸置通過拉伸試驗機測試后獲得的剛度數據。

圖4 橡膠懸置的拉伸試驗剛度數據

由于此剛度曲線為非線性，每個懸置為3條曲線，對應于X，Y，Z三個方向。若要在極限工況下同時找到9條曲線的力－位移的平衡點，用普通求解方法較麻煩，故此處采用迭代法。

定義兩個坐標系:一個是原點o在懸置的彈性中心局部坐標系o－u－v－w;一個是原點O在發動機質心的發動機坐標系O－X－Y－Z。由于在本迭代程序編寫中同時考慮了其扭轉剛度，每個懸置分別具3個線性剛度和3個扭轉剛度。首先在坐標系O－X－Y－Z中設發動機受到的外載荷為F，建立發動機－懸置的靜平衡方程，各懸置點的位移為:

其中:x，y，z為懸置彈性中心在質心坐標系 OX －Y －Z 中的位置;X，Y，Z 和 θx，θy，θz為動力總成的位移。

懸置在質心坐標系O－X－Y－Z中所受的力和力矩為:

其中:kx，ky，kz為懸置塊的拉伸剛度;krx，kry，krz為懸置塊的扭轉剛度;Δi為懸置在局部坐標系中的偏差修正值;B為局部坐標到發動機質心坐標的方向余弦矩陣。懸置彈性中心將有較小的位移，可以忽略不計。

懸置系統靜力平衡方程:

在動力總成質心處施加力和力矩，最終需要輸出懸置在各自局部坐標系內的平動位移μ和轉動位移φ，由式(7)轉換完成。

4.2 位移和載荷工況(28工況)的界面編寫

基于上述理論，編寫出如圖5所示的位移和載荷工況計算界面。

圖5 位移和載荷工況計算界面

界面設計部分主要考慮到實際工程應用的方便性，在界面中可以直接導入拉伸試驗機測試數據，同時輸入在每個工況下施加在動力總成上的力和力矩，并且設定一個線性剛度用于初始迭代。按下界面下側的對應工況的按鈕，即可顯示計算結果界面。在計算結果界面中可以看到發動機質心位移數據和每個懸置的位移和受力情況，同時也可以監視計算迭代過程是否收斂。

本算例采用28工況中的第5個工況作為演示，該工況的名稱為“發動機前進擋最大力矩和+1 g左轉”，加載方式如表2所示。即在動力總成質心坐標系內，施加在動力總成質心上Y方向的力為1 420 N，施加在Z方向的力為1 420 N，在動力總成質心上施加的扭矩為－659 N·m。計算結果界面如圖6所示。

表2 第5個工況加載方式

圖6 位移和載荷計算結果界面

通過如圖6所示的界面可以獲得動力總成質心和懸置彈性中心的變形情況，如表3所示;各懸置彈性中心受力的情況如表4所示。也可以看出本次計算迭代成功，迭代次數為7次。

表3 工況5動力總成質心和懸置彈性中心的變形情況 mm

表4 工況5各懸置彈性中心的受力情況 N

5 結束語

本文對懸置系統開發理論進行梳理，并編寫出適合工程實際要求的開發軟件，對扭矩軸計算模塊、坐標轉換模塊和位移與載荷工況模塊進行了較詳細的數學建模，進而編寫軟件界面。以28工況內的第5個工況為算例對位移和載荷進行分析，得到在該工況下動力總成和各個懸置的變形情況以及該工況下各個懸置的受力情況。

在計算獲得各個懸置的受力情況后，即可對懸置的支架剛強度進行分析計算，并以此數據來合理優化懸置支架的形狀。

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