某新型動力總成抗扭懸置設(shè)計(jì)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(lǐng)域中，縱置發(fā)動機(jī)時(shí)常較多的應(yīng)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(zhì)量及慣量較大，且需求的扭矩也相對較高，大多為柴油機(jī)，工作暴躁，匹配的變速器速比變化較大，常常會出現(xiàn)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(diǎn)熄火大扭矩變化時(shí)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(chǎn)生危害，該問題亟待解決。

關(guān)鍵詞：動力總成懸置;設(shè)計(jì);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(guān)系到乘員的乘坐舒適性。合理的進(jìn)行動力總成懸置設(shè)計(jì)，決定了車輛的最終使用效果。

1坐標(biāo)系統(tǒng)子界面編寫

1.1懸置系統(tǒng)的坐標(biāo)定義

在整車坐標(biāo)系中：原點(diǎn)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(biāo)系中：縱置發(fā)動機(jī)原點(diǎn)O位于發(fā)動機(jī)飛輪靠近變速器一側(cè)的中心;曲軸方向?yàn)閄軸;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(jī)質(zhì)心坐標(biāo)系中：原點(diǎn)O位于發(fā)動機(jī)質(zhì)心;坐標(biāo)軸與發(fā)動機(jī)坐標(biāo)系平行。

1.2坐標(biāo)變換及界面編寫

根據(jù)汽車工程研究院出具的試驗(yàn)報(bào)告，在參考坐標(biāo)系中確定懸置彈性中心位置和質(zhì)心坐標(biāo)，在質(zhì)心坐標(biāo)系中確定轉(zhuǎn)動慣量和慣性積。由于模態(tài)和解耦率計(jì)算往往都是在質(zhì)心坐標(biāo)系中進(jìn)行的，故非常有必要單獨(dú)開發(fā)一個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面。在數(shù)據(jù)計(jì)算過程中，需要將固定坐標(biāo)系下的點(diǎn)坐標(biāo)或者方向矢量轉(zhuǎn)換到連體坐標(biāo)系或者參考坐標(biāo)系下。設(shè)點(diǎn)P或者一個方向矢量在固定坐標(biāo)系O-X-Y-Z坐標(biāo)系下的值為（PX0，PY0，PZ0），P在o-u-v-w坐標(biāo)系下的值為（PX1，PY1，PZ1），兩者有如下關(guān)系：

式（1）中：（o1X，o1Y，o1Z）為o-u-v-w坐標(biāo)系原點(diǎn)在坐標(biāo)系O-X-Y-Z中的坐標(biāo)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(dān)著發(fā)動機(jī)、變速器、離合器的重量和沖擊載荷，同時(shí)要減少發(fā)動機(jī)工作時(shí)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(jī)的振動通過懸置系統(tǒng)傳遞到車架的數(shù)量。

當(dāng)β>1時(shí)，表示懸置系統(tǒng)正在增加來自發(fā)動機(jī)的振動，其自振頻率接近于發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火頻率，從而產(chǎn)生共振。當(dāng)β<1時(shí)，表示懸置系統(tǒng)正在減少來自發(fā)動機(jī)的振動，起到了隔振作用。所以設(shè)計(jì)懸置時(shí)，首先要考慮發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火頻率，避開共振點(diǎn)。動力總成懸置應(yīng)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(jī)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(jī)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(shè)計(jì)方向制定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)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(jié)果的分析得出，動力總成Lateral方向懸置剛度較低，經(jīng)分析主要是后懸置的該方向剛度較低導(dǎo)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(jié)合實(shí)際測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)重要的振動出現(xiàn)在變速器尾部，與分析結(jié)論相符合，故接下來對變速器懸置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對其Y向剛度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了增加lateral向的抑制能力，只有增加其向剛度，和更改設(shè)計(jì)曲線將線性區(qū)間變短來縮短總成的在點(diǎn)熄火扭矩超調(diào)時(shí)的位移量。利用現(xiàn)有襯套的結(jié)構(gòu)，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(lián)合提供剛度，當(dāng)然在此結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)恼{(diào)整懸置襯套的布置角度可以增加抗扭的作用，同時(shí)將基于之前變速器懸置的主方向（整車Bounce向）剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)新懸置結(jié)構(gòu)，將剛度進(jìn)行拆分，由于靜剛度的降低，其對應(yīng)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(dāng)剛度被分為若干個剛度并聯(lián)時(shí)，總設(shè)計(jì)剛度基本不變前提下。由于剛度的被分散，各個懸置在結(jié)構(gòu)，橡膠配方系列不變化的條件下，剛度降低，其硬度降低，根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)動剛度低的通病，改變車身跟懸置動剛度的比值進(jìn)而加強(qiáng)隔振性能。

3懸置的零件設(shè)計(jì)

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(xiàn)斷裂。不同車型對懸置的強(qiáng)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(qiáng)度和剛度都大一些;物流運(yùn)輸牽引車主要在良好公路運(yùn)行，路面條件好，顛簸幅度小，所以對懸置的強(qiáng)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(chǎn)生一定的位移，其中以上下方向位移量最大，通常達(dá)到10-20mm。

我們在設(shè)計(jì)時(shí)主要計(jì)算上下方向的位移。彈性零件的技術(shù)指標(biāo)主要體現(xiàn)在其三個方向的剛度值，以Z方向?yàn)橹?。在設(shè)計(jì)該剛度值時(shí)，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(yīng)該適當(dāng)選大一些;物流運(yùn)輸牽引車路況較好，剛度值適當(dāng)選小一些。重卡行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)值一般按彈性元件靜態(tài)變形3-6mm，同時(shí)考慮不同發(fā)動機(jī)，會根據(jù)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(jié)論

縱置動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)合理性直接影響懸置的抖動問題。新的抗扭懸置結(jié)構(gòu)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(jìn)而控制動力總成的剛體模態(tài)，剛度的提升對變速點(diǎn)熄火時(shí)的抖動控制也更加有效。

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