懸置動(dòng)力總成合成質(zhì)心加速度載荷譜測(cè)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(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

車輛動(dòng)力總成受力復(fù)雜，載荷受車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、動(dòng)力總成質(zhì)量、路面情況等多種因素影響，無法精確計(jì)算。目前動(dòng)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(shí)際使用的公共道路或者試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)獲取行駛中的載荷信息[2]。動(dòng)力總成質(zhì)心加速度道路載荷譜(以下簡(jiǎn)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(zhǔn)確地計(jì)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(dòng)力總成質(zhì)心加速度，為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 質(zhì)心加速度載荷計(jì)算

1.1 懸置點(diǎn)數(shù)布置

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

圖1a)中2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前懸位置，1個(gè)點(diǎn)位于變速箱吊掛位置；圖1b)中2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前懸位置，2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)后懸位置；圖1c)中2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前懸位置，2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)后懸位置；1個(gè)點(diǎn)位于變速箱吊掛位置；圖1d)中2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前懸位置，2個(gè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)后懸位置，2個(gè)點(diǎn)位于變速箱吊掛位置。

a)3點(diǎn) b)4點(diǎn) c)5點(diǎn) d)6點(diǎn)

1.2 計(jì)算過程

計(jì)算動(dòng)力總成質(zhì)心加速度。

1)通過發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、變速箱質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心、變速箱質(zhì)心合成動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)[5]，公式為：

(m1+m2)Zi=m1Z1i+m2Z2i，i=x，y，z,

(1)

式中：m1為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，kg；m2為變速箱質(zhì)量，kg；Zi為動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)，Z1i為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)，Z2i為變速箱質(zhì)心坐標(biāo)。

2)在動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)系下對(duì)懸置位置進(jìn)行坐標(biāo)換算[6]，通常前后懸置位置坐標(biāo)以飛輪殼后端面為原點(diǎn)，需轉(zhuǎn)換為以動(dòng)力總成質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，任意選取3個(gè)懸置點(diǎn)，轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，其中i=1，2，3。轉(zhuǎn)換矩陣

3)任選測(cè)量得到的3點(diǎn)懸置處的3個(gè)方向加速度載荷矩陣

Ap=[a1xa1ya1za2xa2ya2za3xa3ya3z]T。

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

Ac=(BT·B)′·BT·Ap。

(2)

5)對(duì)B·Ac=Ap進(jìn)行逆運(yùn)算，可求出其他懸置點(diǎn)的加速度。

2 質(zhì)心加速度載荷對(duì)比分析

2.1 質(zhì)心加速度載荷分析

選定4款不同動(dòng)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(duì)應(yīng)的懸置點(diǎn)為3、4、5、6，對(duì)不同布置點(diǎn)的質(zhì)心加速度載荷進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

a)3點(diǎn) b)4點(diǎn) c)5點(diǎn) d)6點(diǎn)

以4點(diǎn)懸置重型載貨車為例，采樣頻率為2048 Hz，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)懸置點(diǎn)加速度時(shí)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(duì)4種工況下加速度時(shí)域載荷統(tǒng)計(jì)，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(shí)域載荷統(tǒng)計(jì)

采樣頻率為2048 Hz，選用低通濾波1024 Hz，4種工況3個(gè)懸置點(diǎn)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(shí)際工作中占比較小，將4種工況均以0.3 kHz進(jìn)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(dòng)力總成合成質(zhì)心加速度分析

以4點(diǎn)懸置重型載貨車為例，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量m1=582 kg，變速箱質(zhì)量m2=197 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心Z1i坐標(biāo)為(510.2，10.6，197.2)，變速箱質(zhì)心Z2i坐標(biāo)為(-324.5，-39.0，24.7)，前懸置位置坐標(biāo)為(681.0，±345.0，73.0)，后懸置位置坐標(biāo)為(59.5，±326.0，172.0)，利用式(1)計(jì)算得到動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)為(299.1，-1.9，153.6)(以上坐標(biāo)單位均為mm)。

將前、后懸置位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以動(dòng)力總成質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系位置坐標(biāo)，前懸置坐標(biāo)為(0.382 m，±0.345 m，-0.081 m)，后懸置坐標(biāo)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(jìn)行質(zhì)心加速度矩陣求解。計(jì)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(duì)4種車型，測(cè)試懸置最大加速度、有效加速度、300 Hz濾波加速度，對(duì)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(duì)比

由表3可知：4種機(jī)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(jì)算；4種機(jī)型計(jì)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(diǎn)懸置達(dá)60%，說明4點(diǎn)約束載荷分布均勻，3點(diǎn)懸置屬于欠約束，5、6點(diǎn)屬于過約束，綜合考慮3、4、5、6點(diǎn)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(jì)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(dòng)機(jī)常用的3、4、5、6點(diǎn)懸置布置方式下的平均載荷比約為40%。