動力總成懸置系統(tǒng)運動包絡(luò)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(shù)中心，廣西 柳州545007）

動力總成懸置系統(tǒng)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(xiàn)。

懸置系統(tǒng)設(shè)計工程師在設(shè)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(tài)及解耦率進行計算。當動力總成的模態(tài)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(guān)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(nèi)，供應(yīng)商根據(jù)這個要求，即可設(shè)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(shè)計，則要滿足主機廠對動力總成總體位移的設(shè)計目標值。因此，整個非線性段是為了實現(xiàn)懸置系統(tǒng)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(guān)系，設(shè)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(tǒng)運動包絡(luò)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(jié)構(gòu)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(fā)動機坐標系下的坐標，轉(zhuǎn)動慣量則是在質(zhì)心坐標系下的轉(zhuǎn)動慣量。因此在此先介紹一下坐標系的定義問題。

（1）發(fā)動機坐標系OeXeYeZe。以曲軸中心線與發(fā)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(fā)動機前端；Ze軸平行與氣缸線，指向缸蓋；Ye 根據(jù)右手定則確定，應(yīng)與氣缸中心線所在的中心面垂直，指向發(fā)動機左側(cè)（從變速箱端向皮帶輪端看）。

圖1 發(fā)動機坐標系

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

圖2 質(zhì)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(fā)動機大總成測試時，獲得的質(zhì)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(shù)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(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)換

根據(jù)發(fā)動機大總成在發(fā)動機坐標系下的質(zhì)心坐標，和質(zhì)心坐標系下的轉(zhuǎn)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(xiàn)動力總成轉(zhuǎn)動慣量從質(zhì)心坐標系到整車坐標系的轉(zhuǎn)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(fā)動機坐標系下的質(zhì)心位置，轉(zhuǎn)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(tǒng)計算工況簡介

懸置系統(tǒng)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(jù)不同路面、使用狀況和地區(qū)，總結(jié)了一系列汽車駕駛工況，以此作為新車初期開發(fā)的分析數(shù)據(jù)。

對動力總成懸置系統(tǒng)而言，這些工況大都被等效為作用在動力總成質(zhì)心的加速度和扭矩載荷，可以將該系統(tǒng)獨立進行前期的分析和開發(fā)，不必建立完整的整車模型及依賴龐大的整車數(shù)據(jù)，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(fā)動機懸置的主要作用，是把發(fā)動機安裝在整車上，控制發(fā)動機的位移，并吸收發(fā)動機的振動。表2是GM全球標準對控制發(fā)動機位移和轉(zhuǎn)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(shè)計，如進排氣柔性節(jié)的設(shè)計，傳動軸的布置，以及與發(fā)動機連接的周圍管子的布置，如制動真空管、轉(zhuǎn)向油管、冷卻水管、空調(diào)管、排檔拉索以及各種線束等。如果汽車對扭力轉(zhuǎn)向比較敏感，那么側(cè)傾的要求最好控制在±0.5°以內(nèi)。

1.5 懸置元件剛度曲線處理

非線性剛度曲線設(shè)計出來以后，需要借助其他工具進行擬合以后，才能導(dǎo)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(xiàn)（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(shù)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(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，懸置的硬點位置，可做出如圖6所示的懸置系統(tǒng)動力學(xué)模型。

圖6 懸置系統(tǒng)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(jù)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(luò)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(tài)，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(tài)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(yōu)化獲得了較為理想的線性段剛度后，利用ADAMS動力學(xué)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(zhì)心位移轉(zhuǎn)角（表3）及3個懸置的承載及位移數(shù)據(jù)（表4），這些數(shù)據(jù)是進行懸置元件非線性剛度設(shè)計的基礎(chǔ)。

表3 重力工況下動力總成質(zhì)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(luò)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(yīng)于每個工況，將相應(yīng)的加速度和扭矩轉(zhuǎn)換成力，施加到動力總成質(zhì)心上，然后進行仿真分析。把仿真分析得到的各工況質(zhì)心處的位移和轉(zhuǎn)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(zhì)心位移及轉(zhuǎn)角計算結(jié)果

從計算數(shù)據(jù)可知，位移和轉(zhuǎn)角完全滿足表2所示設(shè)計輸入要求。

2.3 28工況載荷計算

同樣的按照2.2節(jié)中的做法，在獲得質(zhì)心位移和轉(zhuǎn)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(jié)果（單位：N）

3 結(jié)束語

綜上所述，通過懸置系統(tǒng)的工況計算，可以把懸置點的受力和位移數(shù)據(jù)化。利用這些數(shù)據(jù)，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(yīng)力應(yīng)該小于所用材料屈服極限85%，極限工況下，最大應(yīng)力應(yīng)低于材料的抗拉極限）；而且可以較準確地計算發(fā)動機在各工況下的位移，求出動力總成運動包絡(luò)，用于校核發(fā)動機倉中各種動態(tài)間隙是否滿足總布置的要求，從而為發(fā)動機倉相關(guān)零部件設(shè)計及布置提供理論依據(jù)。

[1]楊利勇.基于Adams／View的懸置系統(tǒng)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(tǒng)位移控制設(shè)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.