概念設(shè)計(jì)階段動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)解耦設(shè)計(jì)

趙 濤，陳景昌,2

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122； 2.汽車噪聲及振動(dòng)控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122)

1 引 言

汽車振動(dòng)的主要激勵(lì)來源為動(dòng)力總成及路面激勵(lì)，路面激勵(lì)主要依靠懸架系統(tǒng)進(jìn)行隔振，動(dòng)力總成系統(tǒng)隔振主要依靠懸置系統(tǒng)。基于Torque Roll Axis (TRA)的懸置布置可以對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)各階剛體模態(tài)進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，從而獲取更佳的NVH性能[1，2]。

本文詳細(xì)介紹概念設(shè)計(jì)階段的懸置系統(tǒng)的TRA布置及剛度設(shè)計(jì)方法，以保證懸置系統(tǒng)關(guān)鍵模態(tài)的合理布置，以期達(dá)到更好的懸置系統(tǒng)隔振性能，提高汽車的乘車舒適性[3，4]。

2 動(dòng)力總成系統(tǒng)模型描述

2.1 簡(jiǎn)化模型

動(dòng)力總成-懸置系統(tǒng)在較低頻率范圍(低于動(dòng)力總成的最低階彈性彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率)的隔振設(shè)計(jì)可以只考慮其剛體振動(dòng)模態(tài)，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)模態(tài)理論，其振動(dòng)特性可描述為[1]：

圖1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

式中，M為系統(tǒng)廣義質(zhì)量矩陣，K為系統(tǒng)廣義剛度矩陣，q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)向量。

q=(x,y,z,θx,θy,θz)

2.2 扭轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系

動(dòng)力總成為一自由剛體，當(dāng)繞曲軸方向有一個(gè)扭矩時(shí)，它將繞空間一條軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，這條軸線就是扭矩軸，扭矩軸為無約束三維剛體的旋轉(zhuǎn)軸。以過質(zhì)心平行于扭矩軸的軸為扭矩軸坐標(biāo)系的XTRA軸，其它兩坐標(biāo)軸可以任意選取，建立扭矩軸坐標(biāo)系。扭轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系定義由其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量張量確定[3]。

在動(dòng)力總成坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量張量可描述為：

在動(dòng)力總成坐標(biāo)系中可描述為：

其中，a為正則因子，J為慣量張量I的逆矩陣。

3 懸置位置選擇

為確定懸置點(diǎn)位置，首先需要確定動(dòng)力總成在整車狀態(tài)下或相對(duì)動(dòng)力總成質(zhì)心的空間限制，設(shè)定動(dòng)力總成的相對(duì)邊界條件，需考慮懸置與車身/底盤結(jié)構(gòu)連接的安裝、動(dòng)力總成附件的間距要求等[5]。通?？梢灾付▋牲c(diǎn)如右上前限位URL(Upper Right Limit)和左下后限位LLL(Lower Left Limit)來確定動(dòng)力總成的布置空間，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力總成布置空間

懸置位置點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)懸置Eng_Mount和變速箱側(cè)懸置Trans_Mount的x/y坐標(biāo)可以由TRA軸與動(dòng)力總成空間布置空間包絡(luò)交點(diǎn)確定，z坐標(biāo)可以在保證兩懸置連線與TRA軸完全平行下，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

懸置位置點(diǎn)Rod_Mount坐標(biāo)可以任意選擇在動(dòng)力總成坐標(biāo)系ZX平面內(nèi)某點(diǎn)，只需保證該點(diǎn)與質(zhì)心的連線垂直于TRA即可。

4 懸置剛度確定

動(dòng)力總成的模態(tài)頻率、最大允許位移、靜變形以及橡膠設(shè)計(jì)等均約束懸置剛度的設(shè)計(jì)。

4.1 懸置Z方向剛度設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成的靜位移由懸置的Z向剛度確定，可以定義為：

其中，kzi為懸置的Z向剛度，M為動(dòng)力總成質(zhì)量，zst為動(dòng)力總成最大允許位移。

對(duì)于拉桿式三點(diǎn)懸置系統(tǒng)(如圖3所示)，動(dòng)力總成的質(zhì)量主要依靠Eng_Mount和Trans_Mount的Z方向剛度承擔(dān)。為保證動(dòng)力總成的Bounce和Pitch模態(tài)解耦，需保證k1*x1-k2*x2=0。

圖3 動(dòng)力總成布置后視圖

動(dòng)力總成Bounce的頻率由兩懸置的Z向剛度決定，反推懸置的剛度為：

后懸置Rod_Mount的Z向剛度不作限制，盡量取最小值，以便于模態(tài)的完全解耦設(shè)計(jì)。

4.2 懸置Y方向剛度設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成在TRA坐標(biāo)系下，需保證在該坐標(biāo)系下動(dòng)力學(xué)平衡，同時(shí)受fTRA控制，具體計(jì)算如下：

4.3 懸置X方向剛度設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成的位移容許偏移量決定了懸置X方向剛度，在懸置設(shè)計(jì)的典型工況(最大扭矩轉(zhuǎn)向)下，動(dòng)力總成沿X方向最大的加速度為1g。為保證懸置反作用力和力矩平衡[6]，懸置M1的X方向剛度計(jì)算如下：

同時(shí)，懸置M2的X向剛度kx2=|z1/z2|。

5 懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

在懸置系統(tǒng)的正向開發(fā)過程中，計(jì)算TRA坐標(biāo)系的完全解耦狀態(tài)下的懸置點(diǎn)位置、懸置剛度，需提供以下參數(shù)：動(dòng)力總成質(zhì)量、慣量參數(shù)、設(shè)計(jì)的fTRA頻率、設(shè)計(jì)的fBounce頻率、動(dòng)力總成的空間限制尺寸、最大容許X向位移。以某款動(dòng)力總成為例，編制Matlab程序，根據(jù)動(dòng)力總成參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的懸置位置及剛度，計(jì)算TRA軸在動(dòng)力總成坐標(biāo)系下位置，如圖5所示。TRA軸與動(dòng)力總成坐標(biāo)系下夾角為(7.3°，88.0°，83.0°)。懸置Mnt1與Mnt2在俯視圖上與TRA軸完全重合，在正視圖上完全平行。

圖5 TRA軸動(dòng)力總成坐標(biāo)系下布置

根據(jù)懸置位置及剛度計(jì)算動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)解耦結(jié)果，如圖6所示。懸置系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)fTRA頻率和fBounce頻率均可以完全吻合，且各個(gè)方向的模態(tài)解耦率均接近100%。

6 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了懸置系統(tǒng)基于TRA軸的正向開發(fā)過程，

圖6 懸置系統(tǒng)解耦模態(tài)計(jì)算

并給出了各懸置每個(gè)方向剛度的設(shè)計(jì)原則和懸置點(diǎn)位置布置方法。某款動(dòng)力總成的正向開發(fā)過程計(jì)算結(jié)果表明，懸置系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)fTRA頻率和fBounce頻率均可以完全吻合，且各個(gè)方向的模態(tài)解耦率均接近100%。