越野车发动机-变速器一体化系统悬置设计方法研究

董明明， 杜 宪

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

越野车发动机-变速器一体化系统悬置设计方法研究

董明明， 杜 宪

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

为了越野车野外维修方便，提出了发动机和传动箱一体化设计的思路，此时需要全新的悬置方案.文中将发动机、传动箱及其辅助部件作为固联刚体，进行一体化悬置设计.具体内容包括：整体惯性参数的确定，悬置体等效线性化处理，悬置体的布置方式和极限工况强度的检验.其中悬置布置方案基于多自由度线性系统理论，通过配置弹性中心和垂直、俯仰和侧倾固有频率来实现.实车试验表明，提供的悬置方案满足工程使用要求.

动力传动一体化；等效线性化；弹性中心；悬置设计

越野车辆经常使用在野外工况，为方便对于发动机和变速箱维修，进行了动力变速系统一体化设计，可以实现整体吊装，方便了维修.与传统的发动机悬置不同，在设计悬置时，要将发动机和变速箱作为一个整体来考虑[1].在悬置设计中，惯性参数和外载荷参数都发生了明显变化，同时要考虑悬置体本身的非线性，因此设计和分析方法与单纯的发动机悬置有明显区别.以某越野车动力变速一体化系统为例，研究了其设计方法.

在发动机三维模型中，其坐标系定义如下：以发动机主轴为x轴，坐标原点发动机在主轴和发动机和传动箱连接面焦点，以指向发动机内部为x轴正向.y轴水平，以指向变速箱一侧为正向.z轴和x，y成右手系(竖直向下为正向).

1 惯性参数的计算

mc=∑mi，

(1)

(2)

固联刚体相对于过质心平行于y的轴线的俯仰转动惯量

(3)

固联刚体相对于过质心平行于x的轴线的侧倾转动惯量

(4)

由于不考虑固联刚体绕z轴的横摆振动，因此，不计算固联刚体相对于过质心平行于z的轴线的侧倾转动惯量Jz.

2 悬置体的等效线性化计算

悬置体采用金属丝网编织体，具有非线性的刚度和阻尼特性，为了能够应用线性系统理论进行设计，需要对其进行等效线性化.

第i个悬置体弹性力Fsi和变形量δi之间的关系可以表示为

(5)

第i个橡胶支撑的等效线性刚度用ki来表示，根据等效线性化原理，应该满足误差的平方积分最小，即

(6)

根据公式

(7)

可以求出各个悬置体的等效刚度ki.

(8)

由于阻尼为回线形式，等效线性化结果和变形频率以及变形幅值都有关系，因此，变形圆频率选择为固联刚体垂直振动的固有圆频率ωz，幅值X选为许用变形的一半，则等效线性阻尼为

(9)

3 悬置系统的设计计算

重新定义模型的坐标系，以固联刚体质心C为原点，zc坐标描述质心的垂直振动，正向竖直向下，θ为绕过C点平行于x轴轴线的侧倾角，φ为绕过C点平行于y轴轴线的俯仰角，由于考虑是经平衡位置的微小振动，有

sinθ≈tanθ≈θ,sinφ≈tanφ≈φ,
cosθ≈cosφ≈1.

系统的广义位移向量可以表示为

(10)

系统的动能可以表示为

(11)

系统的质量矩阵可以表示为

(12)

各个橡胶支撑相对于静平衡位置的轴向变形为

zi=zc-xiθ+yiφ，

(13)

式中：xi,yi是第i个橡胶支撑中点相对于C点的坐标.

(14)

因此，系统的刚度矩阵可以表示为

(15)

式中：Xi,Xj可代表zc,φ,θ.

(16)

式中：a为发动机缸数;m为发动机冲程数;n为发动机转速.

同时，要明显高于车辆俯仰振动的固有频率(0.8～1.1 Hz)，因此，f俯仰满足要求.固联系统绕x轴的俯仰固有频率f侧倾，应尽量低于怠速下激励频率f怠，还要避开车身扭转振动的一阶固有频率.因此，f侧倾满足要求.

该工法工艺简单，与其他形式的基础相比没有增加复杂的操作工序，施工速度显著提高；且这种基础形式传力简单明确，施工材料来源稳定，费用较低，施工快捷方便。

(17)

为了降低车体振动附加的惯性力，弹性中心坐标(xs,ys)和质心坐标(xc,yc)应尽量接近，通过上述计算，可以确定悬置体的数量和位置范围.对于通常的悬置设计，悬置体的位置是不能任意选择的，可以将许可的布置方案代入上述计算，可以得到最优方案.

4 强度校核

普通的发动机悬置，由于发动机的输出转矩较低，发动机输出转矩对悬置体的附加载荷较小.而一体化后，由于变速器的加速作用，最低档的输出转矩相当大.为了保证悬置体的强度合格，通常要校验最低前进档和最低的倒档的附加载荷.

则弹性体的变形为

zi=zc-φyi+θxi.

(18)

则各个金属丝网减振器的弹性力为

Fi=-kizi.

(19)

定义矩阵如下.

，

式中:N为悬置体总数.

则悬置系统的位移可以表示为

(20)

式中：Te为传动箱的输出转矩.由此可以计算出各个悬置体的变形量，从而可以判断该悬置系统是否满足强度需要.

算例：已知被悬置系统的质量分布如表1所示.

表1 质量参数 kg

发动机怠速下激励频率(点火脉冲频率[4])可以表示为

式中：a为发动机缸数；m为发动机冲程数；n为发动机转速.

所采用悬置体等效刚度ki=1.6×103N/mm，最大静载荷为Fsi=4 000 N，因此，悬置体个数为

根据上述公式计算，可得需要8个悬置体，根据总体布置得要求和相容性检验[5]，可以得到如表2中的布置位置，同时图1给出了8个悬置体编号的示意图.

图1 悬置体编号示意图

表2 质心为坐标原点坐标系下的8个悬置体坐标 mm

序号位置X坐标Y坐标1发动机1132-4272发动机2-23-4273发动机3-295-4274发动机4-413-4275变速箱1-3144686变速箱2-1643537变速箱3-1645838传动箱548389

从图2系统固有频率和振型图中可以得到系统的模态参数.

图2 系统固有频率和振型图

发动机和变速器特性参数如表3和表4所示.

表3 发动机的外特性数据

表4 最大转矩工况输出扭矩 Nm

根据上述公式，可以计算出各个悬置体的最大变形，各个悬置体的最大变形如表5所示.

表5 各个悬置体的最大变形 mm

所以，悬置体的最大许可变形为10 mm，可见，计算的布置方式满足强度要求.

悬置设计完成后，进行了30天的实车试验，采用文中的设计方案的悬置系统未出现故障，而对照车的悬置系统出现了悬置体损坏，支架断裂的故障.

5 结 论

发动机和传动箱的一体化设计，提出了整体悬置的要求，将动力传动系统作为一个固联刚体，对悬置体进行线性化处理，通过匹配弹性中心和固有频率的方法进行弹性体布置，并检验极限工况的强度.通过实际跑车试验证明，该方法提供的方案满足使用要求.

[1] 吕振华, 罗 捷. 汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法[J]. 中国机械工程,2003,14(3): 265-269.

[2] Shangguan W B. Engine Mounts and Powertrain Mounting Systems: a review[J]. International Journal of Vehicle Design,2009,49(4):237-258.

[3] 李晓雷,余德芙,孙逢迎. 机械振动基础[M]. 北京理工大学出版社,2011.

[4] 侯献军, 杨 凯, 刘志恩. 基于MATLAB的动力总成悬置系统优化设计[C]. 2013 中国汽车工程学会年会论文集,2013.

[5] Wu J, Shangguan W B. Robust Optimization Design Method for Powertrain Mounting Systems Based on Six Sigma Quality Control Criteria[J]. International Journal of Automotive Technology,2010,11(5): 651-658.

Study on Suspension Design for Motor-transmission Unit of Off-road Vehicles

DONG Ming-ming， DU Xian

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081)

The motor and transmission of off-road vehicles are considered as a unit for easy field operation. The motor, transmission and other auxiliary parts are fixed together, and a suspension is designed for the integration system. The contents include determining the inertia parameters, the linearization for the equivalent stiffness of the suspension, the arrangement of the suspension and the strength test on the extreme conditions. Based on the MDOFs linear theories, the suspension layout is obtained by configuring such parameters as the elasticity center, the vertical, pitch and roll natural frequencies. The road test of the vehicle shows that the designed suspension meets the requirements for engineering use.

Motor-transmission unit；Equivalent linearization, Elasticity center, Suspension design

1009-4687(2014)04-0031-04

2014-10-10

董明明(1975-)，男,副教授，研究方向为车辆动力学、悬架及其部件设计、振动与噪声控制.

U463

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