懸置動力總成合成質(zhì)心加速度載荷譜測試及分析

張曉輝，丁保安，曾超，王景新，劉倫倫，段良坤

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

車輛動力總成受力復(fù)雜，載荷受車輛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、動力總成質(zhì)量、路面情況等多種因素影響，無法精確計算。目前動力總成懸置開發(fā)主要采用道路載荷譜采集[1]，通過該車實際使用的公共道路或者試驗場道路試驗獲取行駛中的載荷信息[2]。動力總成質(zhì)心加速度道路載荷譜(以下簡稱“質(zhì)心加速度載荷”)是道路載荷譜采集的一種方式，可為整車開發(fā)過程提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于無法在質(zhì)心位置布置傳感器[3]，只能采用仿真獲得質(zhì)心加速度載荷。仿真方法可以快速準確地計算質(zhì)心加速度載荷，并通過后期數(shù)據(jù)積累提前預(yù)估動力總成質(zhì)心加速度，為動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 質(zhì)心加速度載荷計算

1.1 懸置點數(shù)布置

不同動力總成懸置系統(tǒng)的布置方式、懸置點的數(shù)量和位置對整車噪聲、振動與聲振粗糙度(noise vibration harshness，NVH)性能具有重要影響[4]。隨著動力總成質(zhì)量不斷增加，懸置點數(shù)逐漸增多，以柴油發(fā)動機為例，目前懸置點數(shù)布置主要以3、4、5、6點為主，如圖1所示。

圖1a)中2個點位于發(fā)動機前懸位置，1個點位于變速箱吊掛位置；圖1b)中2個點位于發(fā)動機前懸位置，2個點位于發(fā)動機后懸位置；圖1c)中2個點位于發(fā)動機前懸位置，2個點位于發(fā)動機后懸位置；1個點位于變速箱吊掛位置；圖1d)中2個點位于發(fā)動機前懸位置，2個點位于發(fā)動機后懸位置，2個點位于變速箱吊掛位置。

a)3點 b)4點 c)5點 d)6點

1.2 計算過程

計算動力總成質(zhì)心加速度。

1)通過發(fā)動機質(zhì)量、變速箱質(zhì)量、發(fā)動機質(zhì)心、變速箱質(zhì)心合成動力總成質(zhì)心坐標[5]，公式為：

(m1+m2)Zi=m1Z1i+m2Z2i，i=x，y，z,

(1)

式中：m1為發(fā)動機質(zhì)量，kg；m2為變速箱質(zhì)量，kg；Zi為動力總成質(zhì)心坐標，Z1i為發(fā)動機質(zhì)心坐標，Z2i為變速箱質(zhì)心坐標。

2)在動力總成質(zhì)心坐標系下對懸置位置進行坐標換算[6]，通常前后懸置位置坐標以飛輪殼后端面為原點，需轉(zhuǎn)換為以動力總成質(zhì)心為原點的坐標系，任意選取3個懸置點，轉(zhuǎn)換后坐標為(xi，yi，zi)，其中i=1，2，3。轉(zhuǎn)換矩陣

3)任選測量得到的3點懸置處的3個方向加速度載荷矩陣

Ap=[a1xa1ya1za2xa2ya2za3xa3ya3z]T。

4)基于剛體運動質(zhì)心加速度合成定理B·Ac=Ap[7-9]，求得動力總成質(zhì)心加速度矩陣

Ac=(BT·B)′·BT·Ap。

(2)

5)對B·Ac=Ap進行逆運算，可求出其他懸置點的加速度。

2 質(zhì)心加速度載荷對比分析

2.1 質(zhì)心加速度載荷分析

選定4款不同動力總成懸置布置的車輛，如圖2所示，分別為輕型載貨車、重型載貨車、水泥攪拌車及客車，對應(yīng)的懸置點為3、4、5、6，對不同布置點的質(zhì)心加速度載荷進行試驗對比。

a)3點 b)4點 c)5點 d)6點

以4點懸置重型載貨車為例，采樣頻率為2048 Hz，測試發(fā)動機原地怠速、原地升速、路試一擋急加速、路試二擋急加速(分別記為工況1、工況2、工況3、工況4)4種常用工況下3個懸置點加速度時域曲線，如圖3所示(圖中g(shù)為自由落體加速度)。

a)工況1 b)工況2 c)工況3 d)工況4

由圖3可知，工況4加速度變化范圍最大，工況1變化平穩(wěn)且幅度最小。

對4種工況下加速度時域載荷統(tǒng)計，如表1所示。由表1可知：4種工況最大加速度依次為工況4、3、2、1，工況4最大加速度與有效加速度的差最大。

表1 4種工況加速度時域載荷統(tǒng)計

采樣頻率為2048 Hz，選用低通濾波1024 Hz，4種工況3個懸置點加速度頻域分析如圖4所示。

a)工況1 b)工況2 c)工況3 d)工況4

由圖4可知：工況1在0.8 kHz能量最大，其他3種工況最大能量在0.3 kHz以下。工況1在車輛實際工作中占比較小，將4種工況均以0.3 kHz進行低通濾波，濾波前、后最大加速度如表2所示。

表2 各工況濾波前、后最大加速度

由表2可知，濾波后4種工況加速度大幅下降，工況4降幅最大，由9.4g下降至3.3g。

2.2 動力總成合成質(zhì)心加速度分析

以4點懸置重型載貨車為例，發(fā)動機質(zhì)量m1=582 kg，變速箱質(zhì)量m2=197 kg，發(fā)動機質(zhì)心Z1i坐標為(510.2，10.6，197.2)，變速箱質(zhì)心Z2i坐標為(-324.5，-39.0，24.7)，前懸置位置坐標為(681.0，±345.0，73.0)，后懸置位置坐標為(59.5，±326.0，172.0)，利用式(1)計算得到動力總成質(zhì)心坐標為(299.1，-1.9，153.6)(以上坐標單位均為mm)。

將前、后懸置位置坐標轉(zhuǎn)換為以動力總成質(zhì)心為原點的坐標系位置坐標，前懸置坐標為(0.382 m，±0.345 m，-0.081 m)，后懸置坐標為(-0.240 m，±0.326 m，0.018 m)，寫成轉(zhuǎn)換矩陣

根據(jù)式(2)，編寫程序，進行質(zhì)心加速度矩陣求解。計算4種工況下合成質(zhì)心加速度曲線如圖5所示。

a)工況1 b)工況2 c)工況3 d)工況4

載荷比

式中：a為最大合成質(zhì)心加速度，a′為最大懸置加速度。載荷比可有效估算合成質(zhì)心加速度，以工況4為例，針對4種車型，測試懸置最大加速度、有效加速度、300 Hz濾波加速度，對比結(jié)果如表3所示。

表3 懸置加速度與合成質(zhì)心加速度對比

由表3可知：4種機型最大懸置加速度分別為5.27、1.28、5.85、3.35g，超過3g，不可直接用于有限元邊界[10-11]計算；4種機型計算最大合成質(zhì)心加速度分別為1.78、0.82、2.43、1.29g，明顯小于最大懸置加速度；300 Hz濾波后，懸置加速度變化較大，說明質(zhì)心加速度受低頻影響大；由載荷比可知，4點懸置達60%，說明4點約束載荷分布均勻，3點懸置屬于欠約束，5、6點屬于過約束，綜合考慮3、4、5、6點4種懸置，平均載荷比約為40%。

3 結(jié)語

1)懸置加速度過大，不可直接用于有限元邊界計算。

2)質(zhì)心加速度受300 Hz以下頻率影響較大，建議采用300 Hz低通濾波后使用。

3)發(fā)動機常用的3、4、5、6點懸置布置方式下的平均載荷比約為40%。