某新型動力總成抗扭懸置設計及仿真分析

馬洪磊 李占釗 王正亮

摘? 要：在動力總成懸置系統(tǒng)領域中，縱置發(fā)動機時常較多的應用在商用車，皮卡，輕重型客車及大型工程車輛上，以便獲得較為滿意的動力輸出與幾何空間布置。因此縱置的動力總成相對其他乘用車質量及慣量較大，且需求的扭矩也相對較高，大多為柴油機，工作暴躁，匹配的變速器速比變化較大，常常會出現在較多工況下的抖動與沖擊，直接造成駕駛員及乘客的明顯振感，尤其是在該類型車輛點熄火大扭矩變化時尤為明顯，且余振較多。長此以往對橡膠懸置及金屬骨架的壽命也都會產生危害，該問題亟待解決。

關鍵詞：動力總成懸置;設計;乘坐舒適性

動力總成懸置系統(tǒng)是汽車振動系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，其作用是承載動力總成，其系統(tǒng)性能直接影響整車的NVH效果，關系到乘員的乘坐舒適性。合理的進行動力總成懸置設計，決定了車輛的最終使用效果。

1坐標系統(tǒng)子界面編寫

1.1懸置系統(tǒng)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(fā)動機原點O位于發(fā)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(fā)動機質心坐標系中：原點O位于發(fā)動機質心;坐標軸與發(fā)動機坐標系平行。

1.2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(tài)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(fā)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：

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。1動力總成懸置系統(tǒng)的基本原理動力總成懸置系統(tǒng)主要是由剛性支架和彈性支承裝置兩部分組成，承擔著發(fā)動機、變速器、離合器的重量和沖擊載荷，同時要減少發(fā)動機工作時的振動和噪聲，限制動力總成的最大位移，避免與周邊零部件干涉。懸置系統(tǒng)性能通常用傳遞β來衡量，也就是把來自發(fā)動機的振動通過懸置系統(tǒng)傳遞到車架的數量。

當β>1時，表示懸置系統(tǒng)正在增加來自發(fā)動機的振動，其自振頻率接近于發(fā)動機的點火頻率，從而產生共振。當β<1時，表示懸置系統(tǒng)正在減少來自發(fā)動機的振動，起到了隔振作用。所以設計懸置時，首先要考慮發(fā)動機的點火頻率，避開共振點。動力總成懸置應該具有良好的隔振作用，一方面，它要阻止作為振源的發(fā)動機相車架傳遞振動力，這類形式稱為主動隔振;另一方面，懸置必須阻止路面不平激勵等傳給發(fā)動機的振動和沖擊，并使動力總成作為動力吸振器來衰減車架的振動能量，這種隔振形式稱作被動隔振。因此懸置具有雙向隔振的特性。

2設計方向制定及結構設計

根據之前對于動力總成異常抖動和振動的引發(fā)因素的推論及模型仿真結果的分析得出，動力總成Lateral方向懸置剛度較低，經分析主要是后懸置的該方向剛度較低導致動力總成Lateral模態(tài)9.54Hz，繞曲軸roll的頻率較低只有5.64Hz，結合實際測試數據分析發(fā)現重要的振動出現在變速器尾部，與分析結論相符合，故接下來對變速器懸置進行優(yōu)化設計，主要對其Y向剛度進行調整優(yōu)化設計，為了增加lateral向的抑制能力，只有增加其向剛度，和更改設計曲線將線性區(qū)間變短來縮短總成的在點熄火扭矩超調時的位移量。利用現有襯套的結構，其軸向（u向）剛度較低但徑向（v向）剛度較高，故將懸置襯套橫置，橫采用三個相同襯套聯合提供剛度，當然在此結構中適當的調整懸置襯套的布置角度可以增加抗扭的作用，同時將基于之前變速器懸置的主方向（整車Bounce向）剛度進行設計新懸置結構，將剛度進行拆分，由于靜剛度的降低，其對應的橡膠硬度也會降低，動靜比也會隨之降低，故動剛度也會有明顯下降的趨勢。

K總sfz=240N/mm，K總dyz=340N/mm，令K1sfZ/K2sfZ/K3sfZ分別為：中心抗扭襯套GearBox_Mid，左抗扭襯套GearBox_LHM，右抗扭襯套GearBox_RHM的靜剛度，且K總sfz=K1sfZ+K2sfZ+K3sfZ=240N/mm，令K1sfZ=80N/mm;K2sfZ=80N/mm;K3sfZ=80N/mm，當剛度被分為若干個剛度并聯時，總設計剛度基本不變前提下。由于剛度的被分散，各個懸置在結構，橡膠配方系列不變化的條件下，剛度降低，其硬度降低，根據項目經驗原剛度大致需要采用硬度60shA，其動靜比為1.7左右，而降低剛度以后硬度分別只需要44shA，隨即動靜比將為1.2。將動剛度降低后可以解決車身的安裝點動剛度低的通病，改變車身跟懸置動剛度的比值進而加強隔振性能。

3懸置的零件設計

懸置的零件包含兩部分，剛性部分主要作用是支撐動力總成，需要保證在各種工況下不發(fā)生明顯變形，更不能出現斷裂。不同車型對懸置的強度要求也不一樣，比如自卸車主要是在工地、礦區(qū)行駛，路面狀況較差，要求懸置的強度和剛度都大一些;物流運輸牽引車主要在良好公路運行，路面條件好，顛簸幅度小，所以對懸置的強度和剛度要求低一些。彈性部分主要起減震作用，要求具有一定的剛度和彈性。車輛行駛過程中，動力總成會在前后、上下、左右等各個方向產生一定的位移，其中以上下方向位移量最大，通常達到10-20mm。

我們在設計時主要計算上下方向的位移。彈性零件的技術指標主要體現在其三個方向的剛度值，以Z方向為主。在設計該剛度值時，一般要考慮車輛的行駛工況。比如自卸車路況較差，動力總成跳動量大，沖擊也大，彈性懸置的剛度值應該適當選大一些;物流運輸牽引車路況較好，剛度值適當選小一些。重卡行業(yè)的經驗值一般按彈性元件靜態(tài)變形3-6mm，同時考慮不同發(fā)動機，會根據自身的頻率給出推薦剛度值，避免發(fā)生共振，影響車輛的舒適性。

結論

縱置動力總成懸置系統(tǒng)設計時需要著重考慮變速器懸置的剛度匹配，尤其是Y向剛度的設計合理性直接影響懸置的抖動問題。新的抗扭懸置結構可以有效的提升lateral向剛度及頻率，有效的提升roll頻率（主方向），進而控制動力總成的剛體模態(tài)，剛度的提升對變速點熄火時的抖動控制也更加有效。

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