动力总成悬置系统设计流程研究

1动力总成悬置系统设计流程研究动力总成悬置系统的设计是一项非常复杂的工作，涉及的因素很多，主要设计参数包括：悬置位置的选择，悬置安装位置角度的选择、静刚度曲线的确定、动刚度的确定、阻尼参数的确定等。需要考虑的因素主要包括：动力总成的激励、动力总成的惯性参数、隔振性能要求、频率的匹配、模态的解耦、动力总成的位移控制、动力总成和整车的匹配、悬置元件的设计约束、发动机舱空间等等。动力总成悬置系统的设计流程是悬置设计的核心内容，悬置供货商讳莫如深，一直无法获取比较详尽的悬置系统设计流程，本文在作者学习、研究的基础上，对动力总成悬置系统的设计流程进行研究。1国外悬置系统设计流程的现状国外动力总成悬置系统设计其基本程序如下图所示：概念方案设计试验（测量和采集动力总成有关参数和数据）设计(系统性能优化及结构设计)虚拟样机(仿真分析和零部件有限元分析)物理样机(应用最佳方案试制装车)试验验证投入生产图1国外动力总成悬置系统设计的基本程序其在设计和虚拟样机阶段对不同的设计方案进行反复的比较、评估、改进，减少了道路试验和产品试制的时间和次数，避免了重复设计，减少了开发成本.如德国FREUDENBERG公司基于所建立的六自由度动力总成,悬置系统隔振分析模型，计算分析动力总成系统的固有振动特性和发动机非稳定工况时动力总成,悬置系统的振动及冲击响应特性，并以发动机侧倾振动解耦和改善车内NVH为目标，优化了液阻悬置系统的隔振性能。德国FREUDENBERG公司的动力总成——液阻悬置系统设计开发体系代表了目前汽车动力总成悬置系统设计开发技术的领先水平。国外悬置零部件生产厂家都有一整套完整的设计、开发、试验保证体系来满2足主机厂家的要求，如美国的Lord公司在这方面就做得非常出色，其悬置橡胶软垫已形成系列化，可提供完善、准确的性能参数，用户可根据具体情况需要直接选用。而国内的大部分悬置零件生产厂家在此方面还欠缺很多，故还有很多工作要做，以满足主机厂对悬置减振零部件提出的技术要求。2国内悬置系统设计流程的现状2003年初，浙江骆氏企业玉环塑胶机械厂与北京理工大学合作，成功开发出第一个拥有自主知识产权的汽车用液阻悬置总成，标志着我国悬置零部件设计、开发和制造水平上了一个新的台阶。国内在动力总成悬置设计和制造方面与国外先进汽车生产厂家相比还存在较大差距。大多数汽车生产厂家在进行动力总成悬置系统设计时，还不能像国外厂家那样全面、系统地进行动力总成悬置系统设计开发。同时由于悬置零部件制造工艺水平的限制，以致于设计开发出的动力总成悬置系统还不能完全满足汽车整车性能的要求。目前，随着对汽车平顺性和舒适性要求的逐步提高，国内一些整车厂、主机生产厂家通过与大专院校、科研机构及悬置零部件生产厂家合作，利用计算机优化、仿真和有限元分析技术，共同对汽车动力总成悬置系统进行系统设计开发研究，制定出一整套完整的动力总成悬置系统设计开发程序和规范，通过实施已取得了一些较好成效。国内动力总成悬置系统设计的基本程序可以归纳如下：图2国内动力总成悬置系统设计的基本流程33悬置系统设计的基本流程一般而言，汽车动力总成悬置系统的设计是一个复杂的问题，涉及的因素很多：主要设计参数包括：悬置位置的选择，悬置安装位置角度的选择、静刚度曲线的确定、动刚度的确定、阻尼参数的确定等。需要考虑的因素主要包括：动力总成的激励、动力总成的惯性参数、隔振性能要求、频率的匹配、模态的解耦、动力总成的位移控制、动力总成和整车的匹配、悬置元件的设计约束、发动机舱空间等等。动力总成悬置系统设计流程的简化图如图3所示。图3动力总成悬置系统设计流程的简化图作为初步设计，从工程实际出发对系统作某些简化，只考虑六个自由度的刚体模态的振动在目前还是比较通用的。对支承参数作进一步调整时，再全面考虑汽车所发生的各种振动状态，深入研究车体、悬置和动力总成悬置系统的相互作用，把动力总成悬置参数的确定与整车柔体分析的联系起来，这方面还有许多工作有待进一步探讨。图4为拓普公司提供的动力总成悬置系统设计流程的简化图。4图4拓普提供的动力总成悬置系统设计流程图4悬置系统设计的详细流程研究图5为作者绘制的吉利悬置系统设计的详细流程图。整个悬置系统设计过程可以分为布置设计、悬置元件类型选择、移频设计、解耦计算、位移控制设计、受力分析等内容。首先获得动力总成的型式、发动机舱空间、动力总成惯性参数等信息，然后根据撞击中心理论、弹性中心理论和扭矩轴理论进行解耦布置设计，确定悬置数目（三点、四点支承）、悬置位置和悬置布置形式（平置、斜置和会聚式）。在根据高、低频段解耦等要求确定悬置类型（橡胶悬置、液压悬置、空气悬置等），根据移频设计要求设定好悬置的线性段刚度，满足移频设计要求的条件下进行解耦率计算，直到满足解耦率要求，从而输出各个悬置线性段的动刚度，同时根据悬置材料特性等可以得出各个悬置线性段的静刚度。再根据运动间隙等要求进行位移控制设计，通过位移控制设计得出各个悬置的非线性段静刚度。最后根据得出的悬置静刚度曲线进行典型工况下的受力分析、悬置支架的模态和强度设计、飞轮壳和机体结合面处的静态弯曲力矩校核等。5图5是作者得出的初步的动力总成悬置系统设计流程，还需要进一步的修改和完善。在实际的悬置系统设计中，上述的某些过程都采用优化设计的方法，采用目标函数和约束条件的设置，集中在优化设计这个环节中进行。优化设计的方法、目标函数、约束条件等内容还有待于进一步的研究。6给定发动机位置和车身边界动力总成惯性参数测定：质量、质心位置、转动惯量和惯性积确定悬置数目：三点、四点和五点支承确定悬置位置动力总成激励分析确定悬置布置形式：平置、斜置（V型）和会聚式确定悬置类型：橡胶悬置、液压悬置、空气悬置、半主动悬置设定悬置线性段刚度动力总成型式：前置前驱、前置后驱、前置四驱等悬置系统解耦布置设计确定悬置元件类型垂向振动固有频率绕x轴转动固有频率横向振动固有频率绕y轴转动固有频率绕z轴转动固有频率纵向振动固有频率固有频率合理配置要求v各阶固有频率一般都要大于5Hz，小于20Hz；v各阶固有频率的最小差值在1Hz左右；v各阶固有频率避开汽车怠速时的激励频率；v各阶固有频率避开整车及其它子系统相应方向的固有频率。v尽量避免垂向和绕曲轴方向的振动耦合v绕X轴方向固有频率：小于怠速振动频率的0.707倍，远离汽车俯仰方向的固有频率。v垂直方向固有频率：尽可能取得低一些，并避开前桥和车身垂直振动固有频率及人体垂直振动最敏感的频率范围在4~6Hz。v……悬置系统移频设计撞击中心理论解耦设计弹性中心理论解耦设计转矩轴理论解耦设计高、低频段解耦要求不满足移频要求输出各悬置线性段的三向动、静刚度值设定悬置各项刚度的软拐点、硬拐点阻尼设计：抑制共振设定非线性段刚度悬置系统位移控制设计满足移频要求典型工况下动力总成位移和悬置变形不满足运动间隙要求输出各悬置非性段的三向静刚度值满足间隙要求运动间隙校核确定各悬置静载荷下高度根据线性段静刚度值，确定静载变形量满足解耦要求不满足解耦要求能量法解耦率校核悬置支架模态和强度设计典型工况下悬置受力计算输出各悬置空载高度飞轮壳和机体结台面处的静态弯曲力矩要求图5吉利悬置系统设计的详细流程图