某新型动力总成抗扭悬置设计及仿真分析

马洪磊 李占钊 王正亮

摘  要：在动力总成悬置系统领域中，纵置发动机时常较多的应用在商用车，皮卡，轻重型客车及大型工程车辆上，以便获得较为满意的动力输出与几何空间布置。因此纵置的动力总成相对其他乘用车质量及惯量较大，且需求的扭矩也相对较高，大多为柴油机，工作暴躁，匹配的变速器速比变化较大，常常会出现在较多工况下的抖动与冲击，直接造成驾驶员及乘客的明显振感，尤其是在该类型车辆点熄火大扭矩变化时尤为明显，且余振较多。长此以往对橡胶悬置及金属骨架的寿命也都会产生危害，该问题亟待解决。

关键词：动力总成悬置;设计;乘坐舒适性

动力总成悬置系统是汽车振动系统的一个子系统，其作用是承载动力总成，其系统性能直接影响整车的NVH效果，关系到乘员的乘坐舒适性。合理的进行动力总成悬置设计，决定了车辆的最终使用效果。

1坐标系统子界面编写

1.1悬置系统的坐标定义

在整车坐标系中：原点O位于汽车正前方中间;X轴从车前到车后;Z轴从汽车底部到顶部;Y轴由右手定则确定。在参考坐标系中：纵置发动机原点O位于发动机飞轮靠近变速器一侧的中心;曲轴方向为X轴;从油底壳到汽缸盖为Z方向;Y方向由右手定则确定。在发动机质心坐标系中：原点O位于发动机质心;坐标轴与发动机坐标系平行。

1.2坐标变换及界面编写

根据汽车工程研究院出具的试验报告，在参考坐标系中确定悬置弹性中心位置和质心坐标，在质心坐标系中确定转动惯量和惯性积。由于模态和解耦率计算往往都是在质心坐标系中进行的，故非常有必要单独开发一个坐标转换界面。在数据计算过程中，需要将固定坐标系下的点坐标或者方向矢量转换到连体坐标系或者参考坐标系下。设点P或者一个方向矢量在固定坐标系O-X-Y-Z坐标系下的值为（PX0，PY0，PZ0），P在o-u-v-w坐标系下的值为（PX1，PY1，PZ1），两者有如下关系：

式（1）中：（o1X，o1Y，o1Z）为o-u-v-w坐标系原点在坐标系O-X-Y-Z中的坐标值;ou，ov，ow轴与OX，OY，OZ轴的夹角分别为T1，U1，V1，T2，U2，V2，T3，U3，V3。1动力总成悬置系统的基本原理动力总成悬置系统主要是由刚性支架和弹性支承装置两部分组成，承担着发动机、变速器、离合器的重量和冲击载荷，同时要减少发动机工作时的振动和噪声，限制动力总成的最大位移，避免与周边零部件干涉。悬置系统性能通常用传递β来衡量，也就是把来自发动机的振动通过悬置系统传递到车架的数量。

当β>1时，表示悬置系统正在增加来自发动机的振动，其自振频率接近于发动机的点火频率，从而产生共振。当β<1时，表示悬置系统正在减少来自发动机的振动，起到了隔振作用。所以设计悬置时，首先要考虑发动机的点火频率，避开共振点。动力总成悬置应该具有良好的隔振作用，一方面，它要阻止作为振源的发动机相车架传递振动力，这类形式称为主动隔振;另一方面，悬置必须阻止路面不平激励等传给发动机的振动和冲击，并使动力总成作为动力吸振器来衰减车架的振动能量，这种隔振形式称作被动隔振。因此悬置具有双向隔振的特性。

2设计方向制定及结构设计

根据之前对于动力总成异常抖动和振动的引发因素的推论及模型仿真结果的分析得出，动力总成Lateral方向悬置刚度较低，经分析主要是后悬置的该方向刚度较低导致动力总成Lateral模态9.54Hz，绕曲轴roll的频率较低只有5.64Hz，结合实际测试数据分析发现重要的振动出现在变速器尾部，与分析结论相符合，故接下来对变速器悬置进行优化设计，主要对其Y向刚度进行调整优化设计，为了增加lateral向的抑制能力，只有增加其向刚度，和更改设计曲线将线性区间变短来缩短总成的在点熄火扭矩超调时的位移量。利用现有衬套的结构，其轴向（u向）刚度较低但径向（v向）刚度较高，故将悬置衬套横置，横采用三个相同衬套联合提供刚度，当然在此结构中适当的调整悬置衬套的布置角度可以增加抗扭的作用，同时将基于之前变速器悬置的主方向（整车Bounce向）刚度进行设计新懸置结构，将刚度进行拆分，由于静刚度的降低，其对应的橡胶硬度也会降低，动静比也会随之降低，故动刚度也会有明显下降的趋势。

K总sfz=240N/mm，K总dyz=340N/mm，令K1sfZ/K2sfZ/K3sfZ分别为：中心抗扭衬套GearBox_Mid，左抗扭衬套GearBox_LHM，右抗扭衬套GearBox_RHM的静刚度，且K总sfz=K1sfZ+K2sfZ+K3sfZ=240N/mm，令K1sfZ=80N/mm;K2sfZ=80N/mm;K3sfZ=80N/mm，当刚度被分为若干个刚度并联时，总设计刚度基本不变前提下。由于刚度的被分散，各个悬置在结构，橡胶配方系列不变化的条件下，刚度降低，其硬度降低，根据项目经验原刚度大致需要采用硬度60shA，其动静比为1.7左右，而降低刚度以后硬度分别只需要44shA，随即动静比将为1.2。将动刚度降低后可以解决车身的安装点动刚度低的通病，改变车身跟悬置动刚度的比值进而加强隔振性能。

3悬置的零件设计

悬置的零件包含两部分，刚性部分主要作用是支撑动力总成，需要保证在各种工况下不发生明显变形，更不能出现断裂。不同车型对悬置的强度要求也不一样，比如自卸车主要是在工地、矿区行驶，路面状况较差，要求悬置的强度和刚度都大一些;物流运输牵引车主要在良好公路运行，路面条件好，颠簸幅度小，所以对悬置的强度和刚度要求低一些。弹性部分主要起减震作用，要求具有一定的刚度和弹性。车辆行驶过程中，动力总成会在前后、上下、左右等各个方向产生一定的位移，其中以上下方向位移量最大，通常达到10-20mm。

我们在设计时主要计算上下方向的位移。弹性零件的技术指标主要体现在其三个方向的刚度值，以Z方向为主。在设计该刚度值时，一般要考虑车辆的行驶工况。比如自卸车路况较差，动力总成跳动量大，冲击也大，弹性悬置的刚度值应该适当选大一些;物流运输牵引车路况较好，刚度值适当选小一些。重卡行业的经验值一般按弹性元件静态变形3-6mm，同时考虑不同发动机，会根据自身的频率给出推荐刚度值，避免发生共振，影响车辆的舒适性。

结论

纵置动力总成悬置系统设计时需要着重考虑变速器悬置的刚度匹配，尤其是Y向刚度的设计合理性直接影响悬置的抖动问题。新的抗扭悬置结构可以有效的提升lateral向刚度及频率，有效的提升roll频率（主方向），进而控制动力总成的刚体模态，刚度的提升对变速点熄火时的抖动控制也更加有效。

参考文献

[1]  郭林.某轿车动力总成悬置系统优化设计[D].华南理工大学，2013.

[2]  丁新燃.考虑非比例阻尼的汽车动力总成悬置设计系统研究[D].广西科技大学，2013.

[3]  皮连根.汽车动力总成悬置系统分析及橡胶悬置设计[J].九江职业技术学院学报，2012（03）：30-32.

[4]  韩景峰.某商用车动力总成悬置设计与优化研究[D].吉林大学，2012.

[5]  金永福，王建.燃料电池轿车动力总成悬置设计与加速工况分析[J].农业装备与车辆工程，2009（06）：15-18.