汽车动力总成悬置系统非线性刚度曲线设计计算方法

[摘  要]论述了动力总成位移控制设计的一般原理。以一微车动力总成3点悬置系统为例，针对汽车的28种行驶工况，对动力总成的质心位移、悬置位移和支承点反力进行了计算。文中论述的动力总成悬置系统非线性刚度的设计思想和计算方法对汽车动力总成悬置系统的设计具有指导意义。

关键词：:汽车动力总成悬置系统，非线性刚度设计，位移控制

 [Abstract] Thegeneral principle for the design of motion control for powertrain mountingsystem is presented.Aiming at a specific driving mode of a mini van's enginewith 3- points mount,the displacements of center of gravity of powertrain andthe displacements and reaction forces at mounting point  of 28 load case are calculated. the powertrainmount systems of nonlinear stiffness design idea and calculate method hasguiding significance in auto powetrain mount system design.

keywords:Automotive powertrain mountings system Nonlinear stiffness  Motion control

前言

悬置系统的非线性设计是悬置系统设计的一个重要内容，主要是基于以下两点。(1)优化设计动力总成悬置系统的6阶固有频率，以避免悬置系统与汽车的其它零部件系统(如车身、悬架系统)共振;尽可能使悬置系统在6个方向的振动互不耦合(解耦)，尤其是动力总成在垂直方向的振动和沿曲轴方向的扭转振动应和其它方向的振动解耦[1一8]。(2)在汽车的各种行驶工况下(通用汽车公司规定为28种工况)，动力总成的位移应控制在合理的范围之内，避免与周边零部件的干涉，防止因动力总成位移过大与周围零件干涉或影响汽车的操控等。合理的悬置系统非线性设计应能在良好隔振和动力总成位移控制两方面取得平衡。

本文考虑了悬置在其3个弹性主轴方向力，位移特性的非线性关系，以某一微车衬套型悬置为例，说明了悬置非线性刚度曲线的设计方法。

1 悬置系统的静态特性及运动空间限制

进行动力总成的振动控制设计时，将动力总成视为刚体，由n个(n≥3)悬置支承在车架、副车架或车身上，悬置简化为沿3个垂直的弹性主轴方向(u、v和w方向)具有刚度和阻尼的元件(见图1)

图1 汽车动力总成悬置系统

悬置在其3个弹性主轴方向上的力一位移曲线为非线性曲线，在GMW14116[9]中有具体的要求，如图2所示。

图2 悬置转矩-转角关系曲线

该曲线的设计应考虑下列要求：

区域1：怠速时起到低频隔振作用，此区间动力总成悬置系统主要受一稳态转矩脉冲，子系统主要任务是隔振。

区域2：对节气门全开时起到高频隔振及控制。此时动力总成悬置子系统主要受一稳态转矩脉冲，子系统主要任务是隔振，次要任务是控制。

区域3：对极限工况的控制及负载的管理；此时动力总成悬置系统主要受极限转矩，控制动力总成运动范围变为主要任务。

合理的悬置非线性刚度曲线应能既保证悬置系统具有较好的隔振性能，同时又能在运动幅度较大的工况下抑制动力总成的过量位移。

一般我们会给出动力总成在六个自由度上的位移及转角限制（见图3），此数据由悬置系统设计工程师给出，对于本文实例车的动力总成最大的位移和转角要求（见表1）和动力总成刚体目标频率（见表2）。

图3 动力总成在六个自由度上的位移及转角

 表1 动力总成运动空间限制

表2 动力总成刚体目标频率

一般来说，悬置系统非线性刚度设计需遵循以下原则：

1、每个悬置的限位刚度都不宜过大，防止出现高负载下异常噪声及振动问题。

2、尽量同时使两个以上悬置参与限位，防止单个悬置限位时负载过大。

3、避免金属与金属之间的限位设计。

4、线性段：冷机怠速、暖机怠速、高挡（IV挡之上）WOT(全油门前进)。

5、过渡段：II、III挡WOT，侧向约1g，纵向约1g，垂向上跳约1.5g或2g（除1g重力），垂向下跳约1g（除1g重力）。

6、硬限位：各个方向的极限工况，根据GMW14116中28载荷工况[9]可知,动力总成前后运动的极限工况为11g,垂向为5g，侧向为3g。

2 设计实例

在进行动力总成运动位移控制校核时，按通用汽车公司的规范GMW14116，其载荷工况有28种[9]。在各种工况下，均要将动力总成的位移控制在指定的范围内，并且各悬置在弹性主轴方向的变形也应满足指定的工作段，因此，如何设计各悬置在3个方向的非线性刚度值及拐点的坐标，计算工作量很大。目前我们的做法是先对悬置系统进行优化，获取满足解耦率要求及刚体模态要求(见表2)的线性段刚度后，再利用ADAMS动力学仿真分析软件建模，通过简单的仿真分析，获得动力总成在重力工况下的质心位移、转角，三个悬置的承载及位移数据，这些数据是进行悬置元件非线性刚度设计的基础。

本文中所研究的微车采用三点悬置，如图4所示：

图4悬置系统设计结构图

整车坐标系为:X指向汽车的后方，Z向上，动力总成的质量为182kg，悬置弹性中心坐标和动力总成质心坐标都参考整车坐标系确定。悬置设计所需参数见下表3、表4和表5：

表3动力总成质量及转动惯量

表4悬置弹性中心坐标（参考整车坐标系） 

表5动力总成质心坐标（参考整车坐标系）

2.1解耦优化及动静刚度设计

本例中以各悬置的三个主轴刚度作为优化对象，共9个变量。综合考虑各种因素，把这9个刚度的取值范围均限制在30N/mm～500N/mm。

以

六个自由度上的解耦率达到最大值为优化目标，并且优先考虑向和向上的解耦率。通过用MATLAB编制的解耦率优化程序，联合Isight进行计算，即可获得针对这9个变量的解耦率优化结果，如表6到表7所示（表6种动静刚度比取1.4）。

表6优化后悬置主轴刚度（参考整车坐标系）

表7优化后系统固有频率及能量解耦分布

根据表7的线性段刚度数据，利用ADAMS动力学仿真分析软件建模，通过简单的仿真分析，即可获得动力总成在重力工况下的质心位移和转角（表8）及三个悬置的承载及位移数据（表9），这些数据是进行悬置元件线性段刚度设计的基础，也就是能确定图2种的区域1段的曲线。2.2重力工况下动力总成质心位移和转角及各悬置点承载和位移

表8重力工况下动力总成质心位移及转角（参考整车坐标系）

表9重力工况下各悬置承载及位移（参考整车坐标系）

以左悬置u方向为例，该方向是整车的X向，主要承受整车的加减速工况，需计算如表10所示动力总成前冲工况下的左悬置所受的力与位移，因为该方向悬置受力是对称的，因此只需计算动力总成前冲工况，在11g的时候要进行硬限位。表数据由ADAMS仿真获得。2.3悬置限位刚度设计工况计算

表10 左悬置前冲工况载荷位移数据

表11 左悬置侧倾工况载荷位移数据左悬置的v向相当于整车的Y向，该方向要考虑与侧向移动相关的限位设计。一般要计算动力总成在1g、2g、3g加速度时悬置点的力和位移。仿真所得载荷位移数据见表11。

表11 左悬置侧倾工况载荷位移数据

左悬置的w向相当于整车的Z向，承受发动机纵向上下跳动所产生的力和位移，要做好此方向的限位设计，需计算上跳1g~5g，下跳1g~5g时的力和位移。该方向还要考虑重力下的变形和位移，因此该方向的非线性曲线是不对称的。见表12、13.

表12 左悬置动力总成上跳工况载荷位移数据

表13 .左悬置动力总成下跳工况载荷位移数据

2.4悬置非线性刚度设计

根据表10~表13中得到的数据，可以进行悬置元件（见图5）的非线性刚度设计了，这里仍然以左悬置为例。

图5 左悬置橡胶元件结构

对于左悬置的的u向，由表6知其线性段静刚度为46N/mm，再由表10可得线性区域1段的位移为-8.558~+8.558，所受载荷为-393.7N~+393.7N,据已有的纯胶悬置分析与测试经验，区域2段长度多为２～４mm，本例取2mm，此时软限位的拐点取2g时的载荷1130N，根据k1×8.558+k2×2=1130N，可以算得K2=368.2N/mm,即为区域2段的刚度。对于硬限位距离的确定，根据表1中规定的发动机在X向的运动限制为±15mm，所以在承受11g载荷时，必须对发动机进行硬限位，在此例中该段取3mm，根据K1×8.558+K2×2+K3×3=6211N,可算的区域3段刚度K3为1693.7N/mm。由以上的计算得到左悬置u向各段刚度及拐点数据见表14。设计的非线性刚度曲线见图6所示。

表14左悬置u向非线性设计各拐点力、位移及刚度数据

图6 左悬置X向非线性刚度设计曲线

对于左悬置v，w向的非线性刚度设计计算与u向相同，这里就不再详述，仅给出各拐点载荷、位移及刚度数据表和设计曲线，分别见表15、表16和图7、图8所示。

表15 左悬置v向非线性设计各拐点力、位移及刚度数据

图7左悬置v向非线性刚度设计曲线

表16左悬置w向非线性设计各拐点力、位移及刚度数据

图8左悬置w向非线性刚度设计曲线

右悬置及后悬置非线性刚度曲线的设计参照左悬置的方法进行，在此不在详细介绍。悬置非线性刚度曲线是进行发动机运动位移校核及各悬置承载计算的基础。而各悬置点的承载数据又是进行悬置支架强度校核的前提，由此可见非线性刚度曲线设计的重要性。

3 结论

将动力总成悬置系统简化为在其3个弹性主轴方向的刚度，并考虑悬置在弹性主轴方向的力一位移关系为非线性关系时，介绍了悬置元件非线性刚度设计的方法。以一具有3点悬置的动力总成悬置系统为例，给出了某微车动力总成悬置系统在某种载荷工况下，动力总成质心位移、悬置在弹性主轴方向的位移和各个支承点的反力。计算结果表明，在悬置系统中，利用悬置在其3个弹性主轴方向的力一位移非线性特性，可以很好地控制动力总成的运动，同时兼顾动力总成隔振性能的要求。

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