某后驅縱置動機懸置系統布置計算

楊守財，蔡美晶，肖凌翔

（哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，哈爾濱 150066）

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某后驅縱置動機懸置系統布置計算

楊守財，蔡美晶，肖凌翔

（哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，哈爾濱 150066）

摘要：近年來，隨著汽車越來越普及，整車的NVH性能越來越受到大家的關注，因而對動力總成與整車連接的懸置系統提出了更高的要求，懸置系統是由最初的滿足出發連接發展為需要關注本身強度、NVH特性及系統能量解耦的復雜系統。實現該系統應具備的功能需要借用CAD/CAE分析及后期相關試驗驗證。本文是筆者在設計中采用CAE分析優化懸置系統的典型案例。

關鍵詞：NVH；懸置系統；能量解耦；CAE

1　計算描述

1.1模型

某后驅縱置發動機項目在車發匹配過程中需要對懸置設計及布置型式進行校核，避免后期懸置出現強度不足及發動機點火后劇烈抖動等情況。

由于現匹配發動機為后驅縱置式，因此懸置布置方式設為三點布置型式，分別布置在發動機排氣側、發動機進氣側及變速器后機匣尾部。由于主要負責發動機進氣側及發動機排氣側懸置，因此主要對左、右懸置進行設計分析。由于分析計算需要，對后懸置進行了相應的簡化設計。

1.2載荷及邊界條件

1.2.1靜力分析

A.按10倍重力施加在發動機動力總成質心位置，受力F大小為：

B.固定約束發動機左、右托架與發動機安裝位置。

1.2.2模態分析

固定約束發動機左、右托架與發動機安裝孔安裝位置。

2　靜力分析結果

應力分布及結果如表1。

表1　應力分布及結果分析Tab.1　Stress distribution and its result analysis

3　模態分析結果

根據懸置系統設計標準，模態評價標準為：要求一階模態頻率高于發動機額定轉速下3階頻率的20% ~30%，即一階模態頻率高于360Hz。發動機托架第一階模態見表2。

表2　發動機托架一階模態Tab.2　First-order modal of engine bracket

4　懸置布置頻率分布及能量解耦

4.1動力總成質心、慣性參數測量

由于現有發動機屬于前期開發階段，因此發動機的質心等慣性參數測量是基于三維數模測量的，與實物測量有一定的誤差，因此建議懸置方案優化時采用實物測量慣性參數。

4.2動力總成懸置彈性中心、質心、扭矩軸的位置關系

對于縱置式動力總成懸置系統而言，左前懸置和右前懸置一般呈V形對稱布置，并使懸置的彈性中心落在扭矩軸上，這樣可以實現發動機Y向振動、Z向振動和繞X軸的扭轉振動完全解耦。

4.2.1扭矩軸的確定

扭矩軸在動力總成坐標系中的位置可以通過計算得到。首先在發動機坐標系下測量得到慣性矩、慣性積等參數，構成慣性矩二階矩陣，將該二階矩陣取逆，并對其逆陣的第一列歸一化。則矩陣歸一化后得到矩陣的第一列分別為扭矩軸與動力總成坐標系下X、Y、Z軸夾角的方向余弦矩陣。

假設慣性矩二階張量矩陣為A，則：

對矩陣A進行變換求解得到與X、Y、Z軸的方向余弦分別為0.0974、0.0954、0.204。

圖1為確定的扭矩軸與慣性主軸在發動機坐標系下的位置關系。

圖1　扭矩軸與慣性主軸在X-Z、X-Y平面內的位置關系Fig.1 The ubiety of principal axis of inertia and torque axis in X-Z plane and X-Y

4.2.2前懸置組彈性中心與扭矩軸、質心的位置關系

已知左懸置安裝面的法線方向與Z軸夾角為48.8°，右懸置安裝面的法線與Z軸夾角為51.6°。前懸置組的彈性中心由以下公式確定：

式中，Kw與Kv分別為懸置軟墊切向與法向的剛度值。

前懸置組彈性中心的位置如圖2所示：

圖2　縱置式前懸置組彈性中心與動力總成質心的位置關系Fig.2　The ubiety of longitudinal front suspension elastic center and powertrain centroid

從圖2-B可以看出，動力總成質心高于前懸置組彈性中心，此狀況會引起啟動熄火、晃動問題。

從能量解耦方面對現有方案進行分析，從計算結果了解方案除了在X向解耦率較高，主要關注Y向、Z向、RX向的能量解耦率均較低。

對懸置安裝角度進行優化，使懸置組的彈性中心落在動力總成質心與扭矩軸上，懸置的安裝角度由公式2確定。

其中：A為左右懸置到彈性中心的Z向距離；B為左右懸置到彈性中心的Y向距離，L為懸置的法向與切向剛度的比值。

圖3　彈性中心的位置驗證Fig.3　Site verification of elastic center

求解得知，左懸置安裝角度為34.6°，右懸置安裝角度為40°。由公式（1）驗證彈性中心的最終位置如圖3所示。

由上圖可以看出優化后懸置組的彈性中心落在動力總成質心位置且落在扭矩軸上。

表3　懸置布置頻率分布及能量解耦率Tab.3　Frequency distribution and energy decoupling rate of suspension arrangement

從能量解耦率來看，懸置安裝角度優化之后，除了Z方向的解耦率沒有達到80%，其他幾個方向的解耦率均滿足要求。

4.2.3后懸置彈性中心與扭矩軸的位置關系

后懸置與扭矩軸在Y-Z平面與X-Z平面的位置關系如圖4所示。

從圖4可以看出，后懸置并未落在扭矩軸上。此次優化主要在左右懸置組落在扭矩軸的基礎上對后懸置進行調整，使后懸置也落在扭矩軸上，并對此方案進行能量解耦。從調整之后的能量解耦率分配結果看（解耦方法同前）：后懸置布置在扭矩軸上，能量解耦率并沒有明顯提高，因此對于后懸置是否要布置在扭矩軸上，需要根據空間布置及具體的能量解耦率來決定。

圖4　后懸置與扭矩軸的位置關系Fig.4 The ubiety of rear suspension and torque axis

5　結論

通過提供動力總成的質心及轉動慣量等慣性參數，通過強度校核及綜合運用扭矩軸理論及能量解耦方式，可以實現對懸置系統結構及功能的優化，進而節省項目周期與試驗費用。

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A rear-guard drive mounting system arrangement calculation

YANG Shou-cai,CAI Mei-jing,XIAO Ling-xiang
(Harbin Dongan Auto Engine Co.,Ltd.,Harbin 150066,China)

Abstract:In recent years,with the increasing popularity of cars,NVH performance of the vehicle has attached more and more people's attention,which puts forward higher requirements to powertrain and mounting system connecting to vehicle,mounting system was designed initially to meet the need of connection for departure and then developed into a complex system that focusing on the development of its own strength,NVH characteristics and system energy decoupling.Implementation of the system should take use of CAD/CAE analysis and verification of post relevant experiments.This article is the typical case of taking use of CAE to analyze the optimization of mounting system.

Key words:NVH;Mounting system;Energy decoupling;CAE

中圖分類號：U464

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）08-0028-03

收稿日期：2016-02-20